Кошмарный сценарий отсутствия новых частиц или взаимодействий на БАК сбывается. И это может быть наша собственная вина.
На Большом адронном коллайдере протоны одновременно вращаются по часовой стрелке и против часовой стрелки, сталкиваясь друг с другом, двигаясь каждый со скоростью 99,9999991% скорости света. В двух конкретных точках, предназначенных для наибольшего количества столкновений, были построены и установлены огромные детекторы частиц: детекторы CMS и ATLAS. После миллиардов и миллиардов столкновений при этих огромных энергиях БАК продвинул нас дальше в нашей охоте за фундаментальной природой Вселенной и в нашем понимании элементарных строительных блоков материи.
Ранее в этом месяце БАК отпраздновал 10-летие своей работы, и открытие бозона Хиггса стало его венцом. Тем не менее, несмотря на эти успехи, никаких новых частиц, взаимодействий, распадов или фундаментальной физики обнаружено не было. Хуже всего то, что большая часть данных ЦЕРНа с БАК была заброшена навсегда.
Это одна из наименее понятных частей головоломки физики высоких энергий, по крайней мере, среди широкой публики. БАК не просто потерял большую часть своих данных: он потерял колоссальные 99,997% из них. Это верно; из каждого миллиона столкновений, происходящих на БАК, только о 30 из них все данные записаны и зарегистрированы.
Это произошло по необходимости, из-за ограничений, налагаемых самими законами природы, а также тем, что технологии могут сделать в настоящее время. Но при принятии этого решения присутствует огромный страх, который становится еще более ощутимым из-за того, что, кроме долгожданного бозона Хиггса, ничего нового обнаружено не было. Опасение заключается в следующем: существует новая физика, ожидающая своего открытия, но мы упустили ее, выбросив эти данные.
У нас действительно не было выбора. Кое-что пришлось выбросить. Принцип работы БАК заключается в том, что он разгоняет протоны до скорости, максимально близкой к скорости света, в противоположных направлениях и сталкивает их друг с другом. Именно так ускорители частиц работали лучше всего на протяжении поколений. Согласно Эйнштейну, энергия частицы - это комбинация ее массы покоя (которую вы можете узнать как E=mc²) и энергии ее движения, также известной как ее кинетическая энергия. Чем быстрее вы движетесь или, точнее, чем ближе вы приближаетесь к скорости света , тем выше энергия на частицу, которую вы можете достичь.
На БАК мы сталкиваем протоны на скорости 299 792 455 м/с, что всего на 3 м/с меньше скорости самого света. Сталкивая их вместе на таких высоких скоростях, двигаясь в противоположных направлениях, мы делаем возможным существование невозможных иначе частиц.
Причина в следующем: все частицы (и античастицы), которые мы можем создать, имеют определенное количество присущей им энергии в виде их массы в состоянии покоя. Когда вы сталкиваете две частицы вместе, часть этой энергии должна перейти на отдельные компоненты этих частиц, как на их энергию покоя, так и на их кинетическую энергию (то есть их энергию движения).
Но если у вас достаточно энергии, часть этой энергии может также пойти на производство новых частиц! Вот где E=mc² становится действительно интересным: не только все частицы с массой (m) обладают энергией (E), присущей их существованию, но если у вас есть достаточно доступной энергии, вы можете создавать новые частицы. На БАК человечество добилось столкновений с большей доступной энергией для создания новых частиц, чем в любой другой лаборатории в истории.
Энергия на частицу составляет около 7 ТэВ, что означает, что каждый протон достигает примерно в 7000 раз больше своей энергии покоя в форме кинетической энергии. Но столкновения редки, а протоны не просто крошечные, они в основном представляют собой пустое пространство. Чтобы получить большую вероятность столкновения, вам нужно поместить более одного протона за раз; вместо этого вы вводите свои протоны пучками.
При полной интенсивности это означает, что множество крошечных сгустков протонов движутся по часовой стрелке и против часовой стрелки внутри БАК, когда он работает. Туннели LHC имеют длину примерно 26 километров, и каждый пучок разделяет всего 7,5 метра (или около 25 футов). Когда эти пучки лучей движутся, они сжимаются, когда взаимодействуют в средней точке каждого детектора. Каждые 25 наносекунд существует вероятность столкновения.
Ну так что ты делаешь? У вас есть небольшое количество столкновений и вы записываете каждое? Это пустая трата энергии и потенциальных данных.
Вместо этого вы накачиваете достаточное количество протонов в каждый сгусток, чтобы обеспечить хорошее столкновение каждый раз, когда проходят два сгустка. И каждый раз, когда происходит столкновение, частицы проносятся сквозь детектор во всех направлениях, запуская сложную электронику и схемы, которые позволяют нам реконструировать, что, когда и где было создано в детекторе. Это похоже на гигантский взрыв, и только измеряя все вылетевшие осколки, мы можем реконструировать то, что произошло (и какие новые вещи были созданы) в точке возгорания.
Проблема, которая возникает тогда, заключается в том, чтобы взять все эти данные и записать их. Сами детекторы большие: 22 метра у CMS и 46 метров у ATLAS. В любой момент времени существуют частицы, возникающие в результате трех разных столкновений в CMS и шести отдельных столкновений в ATLAS. Для записи данных необходимо выполнить два шага:
- Данные должны быть перемещены в память детектора, которая ограничена скоростью вашей электроники. Несмотря на то, что электрические сигналы распространяются почти со скоростью света, мы можем «вспомнить» только примерно 1 из 500 столкновений.
- Данные в памяти должны быть записаны на диск (или другое постоянное устройство), и это гораздо более медленный процесс, чем сохранение данных в памяти; необходимо принять решение о том, что оставить, а что выбросить.
Теперь есть несколько приемов, которые мы используем, чтобы убедиться, что мы выбираем наши события с умом. Мы сразу же смотрим на множество факторов, связанных с столкновением, чтобы определить, стоит ли присматриваться к ним поближе или нет: то, что мы называем триггером. Если вы проходите триггер, вы переходите на следующий уровень. (Кроме того, сохраняется небольшая часть данных без запуска, на тот случай, если есть интересный сигнал, по которому мы не думали запускать.) Затем применяется второй уровень фильтров и триггеров; если событие достаточно интересно для сохранения, оно помещается в буфер, чтобы обеспечить его запись в хранилище. Мы можем убедиться, что каждое событие, помеченное как «интересное», сохраняется, а также небольшая часть неинтересных событий.
Поэтому при необходимости выполнения обоих этих шагов для анализа можно сохранить только 0,003% от общего объема данных.
Как мы узнаем, что сохраняем нужные фрагменты данных? Те, в которых, скорее всего, мы создаем новые частицы, видим важность новых взаимодействий или наблюдаем новую физику?
При столкновении протон-протон большая часть того, что получается, - это нормальные частицы, в том смысле, что они состоят почти исключительно из кварков вверх и вниз. (Это означает такие частицы, как протоны, нейтроны и пионы.) И большинство столкновений являются скользящими столкновениями, а это означает, что большинство частиц сталкиваются с детектором в прямом или обратном направлении.
Итак, чтобы сделать этот первый шаг, мы попытаемся найти следы частиц относительно высоких энергий, которые идут в поперечном направлении, а не вперед или назад. Мы пытаемся записать в память детектора события, которые, по нашему мнению, имели наиболее доступную энергию (E) для создания новых частиц с максимально возможной массой (m). Затем мы быстро выполняем вычислительное сканирование того, что находится в памяти детектора, чтобы увидеть, стоит ли записывать на диск или нет. Если мы решим это сделать, его можно будет поставить в очередь на постоянное хранение.
В результате можно сохранять около 1000 событий каждую секунду. Это может показаться большим, но помните: примерно 40 000 000 групп сталкиваются каждую секунду.
Мы думаем, что поступаем разумно, решив сохранить то, что сохраняем, но мы не можем быть уверены. В 2010 году ЦОД ЦЕРН преодолел колоссальную веху данных: 10 петабайт данных. К концу 2013 года они передали 100 петабайт данных; в 2017 году они преодолели отметку в 200 петабайт. Тем не менее, несмотря на все это, мы знаем, что выбросили - или не смогли записать - примерно в 30 000 раз больше. Возможно, мы собрали сотни петабайт, но мы выбросили и навсегда потеряли многие зеттабайты данных: больше, чем общий объем интернет-данных, созданных за год.
В высшей степени возможно, что БАК создал новые частицы, увидел доказательства новых взаимодействий, а также наблюдал и записывал все признаки новой физики. А также возможно, что из-за нашего незнания того, что мы искали, мы все это выбросили, и будем продолжать это делать. Кошмарный сценарий - отсутствия новой физики за пределами Стандартной модели - похоже, сбывается. Но настоящий кошмар - это очень реальная возможность того, что новая физика существует, мы построили идеальную машину, чтобы найти ее, мы ее нашли, и мы никогда не осознаем этого из-за принятых нами решений и предположений.. Настоящий кошмар заключается в том, что мы обманывали себя, веря, что Стандартная модель верна, потому что мы рассмотрели только 0,003% имеющихся данных. Мы думаем, что приняли разумное решение, сохранив то, что сохранили, но мы не можем быть в этом уверены. Возможно, этот кошмар мы навлекли на себя по незнанию.
Этот материал был обновлен благодаря вкладу Кайла Кранмера, Дона Линкольна и Дэниела Уайтсона.