Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной Рэндалл Лиза

При оценке научных измерений полезно быть на короткой ноге со статистикой и теорией вероятностей. Мне напомнил о пользе вероятностных рассуждений один случай. Несколько лет назад на вопрос, пойду ли я завтра на некое мероприятие, я честно ответила: «Не знаю». Приятель, разочарованный таким ответом, был, по счастью, любителем математики. Так что вместо того, чтобы долго и нудно настаивать на определенном ответе, он попросил меня назвать вероятности того и другого. К собственному удивлению я обнаружила, что ответить на вопрос в такой формулировке намного проще. Хотя названные мной вероятности были всего лишь грубой оценкой, они более точно отражали мои сомнения и неуверенность, чем любое «да» или «нет». В конце концов, такой ответ показался мне куда более честным.

С тех пор я неоднократно пробовала вероятностный подход на друзьях и коллегах в случаях, когда они вроде бы не могли ответить на мой вопрос. Оказалось, что большинству людей нередко проще ответить на вопрос не однозначно, а через вероятности. Человек может не знать, захочет ли он пойти на бейсбольный матч в четверг через три недели. Но если он уверен в том, что ему нравится бейсбол, и не ожидает в ближайшее время командировок, однако сомневается, потому что день будний, он может сказать, что пойдет с вероятностью 80%, хотя и не может гарантировать. Хотя это всего лишь оценка, но названная вероятность — даже такая, которую он просто придумал на месте — более точно отражает реальные ожидания человека, чем простой ответ «да» или «нет».

В разговоре о науке и о том, как действуют ученые, сценарист и режиссер Марк Висенте заметил, что его в свое время поразило, что ученые не любят делать слишком определенные, без всяких оговорок, заявления, которые большинство обычных людей делает не задумываясь. Ученые не обязательно очень уж красноречивы, но они всегда стремятся точно сказать, что они знают, а чего не знают или не понимают, по крайней мере в своей научной области. Они редко говорят «да» или «нет», потому что такой ответ не может точно отразить весь спектр возможностей. Вместо этого они говорят о вероятностях либо ограничивают свои заявления определенными условиями. По иронии судьбы, изза такой разницы в языке люди часто неверно понимают заявления ученых или преуменьшают их значение. Несмотря на то что ученые стремятся объяснить все как можно точнее, неспециалисты зачастую просто не знают, как интерпретировать их заявления: ведь любой неученый, имея столько свидетельств в пользу своего тезиса, без колебаний сказал бы чтонибудь более определенное. Но для ученого отсутствие 100%-ной вероятности не означает отсутствия знания. Это всего лишь следствие неопределенностей, изначально присущих любым измерениям. Вот об этом мы с вами сейчас и поговорим. Вероятностное мышление помогает уяснить смысл того или иного явления и позволяет принимать взвешенные решения. В этой главе мы подумаем о том, что говорят нам измерения, и разберемся, почему именно вероятностные заявления наиболее точно отражают состояние знаний — научных или любых других — в любой конкретный момент времени.

НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ПО–НАУЧНОМУ

В Гарварде недавно прошел диспут, посвященный попыткам определить важнейшие элементы современного образования. Одной из обсуждавшихся категорий (по существу, частью обязательных научных требований) были «эмпирические рассуждения». Предложение состояло в том, что университет должен ставить перед собой цель «научить студентов собирать и оценивать эмпирические данные, взвешивать доказательства, разбираться в оценках и вероятностях, делать выводы из имеющихся данных [пока все нормально —Л. Р.], а акже распознавать ситуации, в которых вопрос не может быть разрешен на базе имеющихся свидетельств».

Предложенная формулировка — позже она была изменена — была составлена с самыми лучшими намерениями, но содержала в корне неверное представление о том, как работают измерения, то есть экспериментальные данные. Как правило, наука решает вопросы с определенной степенью вероятности. Конечно, мы можем достичь высокой степени уверенности в какомто вопросе или наблюдении и высказывать здравые суждения. Однако редко человеку удается решить вопрос полностью — научный или иной — на основании прямых доказательств. Мы можем набрать достаточно данных, чтобы можно было доверять причинно-следственным связям, можем делать необычайно точные предсказания, но, как правило, все они делаются с определенной степенью вероятности. Как говорится в главе 1, неопределенность, даже маленькая, допускает потенциальное существование новых интересных явлений, которые еще надо открыть. Мало что известно со 100%-ной точностью, и ни одна теория или гипотеза не будет гарантированно действовать в условиях, в которых еще не проводились никакие испытания.

В измерения всегда входит некоторый вероятностный компонент. Многие научные измерения опираются на предположение о том, что те или иные явления основаны на существующих физических закономерностях, которые можно открыть при помощи достаточно точных и тщательных измерений. При помощи измерений мы стараемся найти эти физические закономерности. Затем мы можем утверждать, что некий интервал, в пределах которого лежат наши измерения, содержит истинную величину измеряемого параметра с вероятностью 95%. В этом случае мы могли бы сказать, что уверены на 95%. Подобные вероятности сообщают нам достоверность любого конкретного измерения, а также полный спектр возможностей и следствий. Невозможно до конца понять смысл измерения, не зная и не оценивая связанных с ним неопределенностей.

Один из источников неопределенности — то, что в природе не существует абсолютно точных измерительных инструментов. Для измерений абсолютной точности потребовалось бы устройство, откалиброванное с точностью до бесконечного числа десятичных знаков. Экспериментаторы не в состоянии проводить такие измерения — они могут калибровать свои инструменты лишь с той точностью, которую допускают современные технологии. Чем более развиты технологии, тем точнее измерительные устройства. При всем при том измерения никогда не достигнут абсолютной точности, до каких бы вершин не поднялась техника. Некоторая систематическая погрешность, или неопределенность[41], присущая самому измерительному устройству, останется всегда.

Вездесущая неопределенность не означает, что ученые воспринимают все варианты или заявления одинаково (хотя средства массовой информации частенько совершают эту ошибку). Вероятность 50 на 50 в реальной жизни встречается очень редко. Однако все это значит, что ученые (или любой человек, стремящийся к идеальной точности) в своих заявлениях сообщают, что именно было измерено и что это означает в вероятностном смысле, даже если вероятности очень высоки.

Когда ученые и журналисты очень аккуратно выражают свои мысли, они используют в разных значениях два, казалось бы, близких слова: прецизионность и точность. Некое устройство считается прецизионным, если при повторных измерениях одной и той же величины полученные значения не будут слишком сильно отличаться друг от друга. Таким образом, прецизионность — мера уровня изменчивости и схожести результатов. Если результаты повторных измерений отличаются не сильно, то измерения прецизионны. Измеренные таким образом величины дают меньший разброс значений, поэтому среднее значение при повторных измерениях будет сходиться быстрее.

Точность, с другой стороны, говорит о том, как далеко полученное вами среднее значение отстоит от правильного результата. Иными словами, она говорит о том, вносит ли измерительная установка смещение и насколько измерения достоверны. С технической точки зрения ошибка, присущая измерительному устройству, не ухудшает его прецизионности — ведь ошибка каждый раз будет одна и та же, — хотя, безусловно, вредит точности собственно измерения. Систематическая погрешность характеризует неустранимое отклонение от истинного значения, присущее самим измерительным устройствам.

Тем не менее во многих ситуациях даже при наличии идеального измерительного инструмента вам придется проводить многократные измерения, чтобы получить корректный результат. Дело в том, что существует еще один источник неопределенности[42] — статистический; это означает, что измерения необходимо проводить многократно, чтобы результатам можно было доверять. Даже точное измерительное устройство не всякий раз будет давать верное значение, а вот среднее значение при многократных измерениях сойдется к верному ответу. Систематическая погрешность управляет точностью измерений, тогда как статистическая погрешность влияет на их прецизионность. В идеале измерения должны быть и точными, и прецизионными; тогда ожидаемая абсолютная погрешность будет мала, а полученным величинам можно будет доверять. Иначе говоря, вы должны желать, чтобы они лежали в как можно более узком диапазоне (прецизионность) и сходились в конце концов к верному результату (точность).

Приведем знакомый и весьма важный пример, на котором можно практически рассмотреть все приведенные понятия, — испытания эффективности лекарственных средств. Врачи часто не хотят раскрывать (а может быть, и не знают) соответствующую статистику. Случалось ли вам испытывать острое разочарование от слов: «Иногда это лекарство помогает, а иногда нет»? Подобное заявление скрывает от вас массу полезной информации. Так, в нем ничего не говорится о том, как часто это лекарство срабатывает и насколько статистически та часть населения, на которой его испытывали, схожа с вами. После такого заявления очень трудно принять решение. Гораздо лучше было бы, если бы вам сказали, как часто это лекарство помогает людям, близким к вам по возрасту и физическому состоянию.

Разные люди по–разному реагируют на одни и те же лекарства, и это очень усложняет вопрос о том, как подействует то или иное лекарство на конкретного человека. Давайте для начала рассмотрим более простой случай и представим, что мы проводим испытания на одном человеке. В качестве примера возьмем аспирин и проверим, помогает ли он от головной боли.

Кажется чего проще: взять аспирин и посмотреть, сработает ли он. Но на самом деле все немного сложнее. Даже если вам стало лучше, откуда вы можете знать, что вам помог именно аспирин? Чтобы убедиться в этом, то есть понять, уменьшилась ли боль быстрее, чем без лекарства, вам нужно было бы сравнить самочувствие с ним и без него. Однако, поскольку вы либо приняли аспирин, либо нет, одного измерения будет недостаточно, чтобы получить ответ на вопрос.

Но способ получить его существует. Для этого нужно провести эксперимент много раз. Всякий раз, когда у вас заболит голова, вам следует бросить монетку и принять случайное решение о том, принимать на этот раз аспирин или нет. Результат, естественно, нужно зафиксировать. После достаточного количества испытаний вы сможете усреднить свои данные по различным типам головной боли и сопутствующим обстоятельствам (возможно, боль проходит быстрее, если вы накануне хорошо выспались); статистика поможет вам получить верный результат. Вероятно, в ваших измерениях не будет систематической погрешности, поскольку решение о приеме лекарства вы принимали на основании броска монетки, а выборка состоит из вас одного, поэтому результаты при достаточном количестве испытаний будут корректными.

Было бы здорово, если бы любое лекарство можно было испытать посредством такой простой процедуры. Однако большинство лекарств используется при лечении более серьезных заболеваний, чем головная боль, иногда даже смертельно опасных. А у многих лекарств есть долгосрочные последствия, поэтому провести много коротких испытаний н одном человеке невозможно, даже если очень хочется.

Так что обычно, когда биологи или врачи хотят проверить, насколько хорошо действует лекарство, они не испытывают его на одном–единственном человеке, хотя с точки зрения науки такой вариант был бы оптимальным. Им приходится мириться с тем фактом, что люди по–разному реагируют на один и тот же препарат. Любое лекарство дает целый спектр реакций, даже если пробуют его на группе людей с одним заболеванием одной и той же степени тяжести. Поэтому лучшее, что могут в большинстве случаев сделать ученые, — это разработать программу испытаний для группы людей, как можно сильнее похожих на того человека, которому они в будущем намерены давать или не давать данное лекарство. На самом деле врачи, как правило, не планируют эксперименты сами, так что сходство с реальным пациентом гарантировать трудно.

Иногда вместо этого врачи используют уже существующие результаты, где никто не проводил тщательных испытаний, а просто собраны данные наблюдений за существующими группами людей, такими как жильцы одного дома. Затем им придется столкнуться с проблемой правильной интерпретации результатов. С такими исследованиями иногда трудно бывает гарантировать, что проведенные измерения отражают причинно–следственные связи, а не случайные совпадения или корреляции. Так, заметив у многих пациентов с раком легких желтые пальцы, можно сделать ошибочный вывод о том, что именно желтизна пальцев — причина рака легких.

Поэтому ученые предпочитают исследования, в которых методы лечения или дозы назначаются случайным образом. К примеру, исследование, в котором люди будут принимать лекарство по результатам броска монетки, будет меньше зависеть от выборки: ведь то, будет ли данный пациент принимать препарат, полностью зависит от случая. Точно так же при помощи рандомизированного исследования можно установить связь между курением, раком легких и желтизной пальцев. Если бы можно было случайным образом предписать, кто из членов группы будет курить, а кто нет, вы бы поняли, что курение — это по крайней мере один из факторов и желтизны пальцев у пациентов, и рака легких; при этом не важно, является ли одно причиной другого. Но, разумеется, такой эксперимент был бы неэтичным.

Везде, где это возможно, ученые стремятся упростить систему и выделить таким образом те специфические явления, которые хотят изучить. И для точности, и для прецизионности результата очень важен подбор как группы испытуемых, так и контрольной группы. Такой сложный параметр, как действие лекарства на биологию человека, определяется одновременно множеством факторов. Очень важно также, насколько достоверные результаты исследования нам нужны.

С КАКОЙ ЦЕЛЬЮ ПРОВОДЯТСЯ ИЗМЕРЕНИЯ?

Измерения не могут быть идеальными. В научных исследованиях — как и при принятии любого решения — нам приходится определять для себя приемлемый уровень неопределенности. Только в этом случае можно двигаться вперед. К примеру, если вы принимаете лекарство и надеетесь, что оно облегчит вам сильную головную боль, то вам, возможно, достаточно знать, что это лекарство помогает обычному человеку в 75% случаев. С другой стороны, если изменение стиля питания ненамного снизит ваши и без того невысокие шансы заболеть чемнибудь сердечно–сосудистым (к примеру, с 5 до 4,9%), этого может оказаться недостаточно, чтобы убедить вас отказаться от любимых пирожных.

В политике точка принятия решения еще менее определенна. Как правило, общество смутно представляет, насколько хорошо нужно изучить вопрос, прежде чем менять законы или накладывать ограничения. Необходимые расчеты здесь осложнены множеством факторов. Как говорилось в предыдущей главе, изза неоднозначности целей и методов провести скольконибудь достоверный анализ «затраты — прибыли» очень сложно, а иногда вообще невозможно.

Колумнист The New York Times Николас Кристоф, ратуя за осторожность в обращении с потенциально опасными химическими веществами типа бисфенол–А (ВРА) в пище или пищевой упаковке, писал: «Исследования ВРА уже несколько десятков лет бьют тревогу, а данные до сих пор сложны и неоднозначны. Такова жизнь: в реальном мире законодательные меры, как правило, приходится принимать на основании неоднозначных и спорных данных».

Ничто из сказанного не означает, что нам не следует, определяя политический курс, стремиться к количественной оценке затрат и выгод. Однако ясно, что нам нужно четко понимать, что означает каждая оценка, как сильно она может меняться в зависимости от начальных предположений или целей, а также что при расчетах было и что не было принято во внимание. Анализ «затраты — выгоды» может быть полезен, но может и дать ложное ощущение конкретности, надежности и безопасности, которое зачастую приводит к опрометчивым решениям.

К счастью для нас, физики, как правило, ставят перед собой вопросы попроще, чем те, что приходится решать публичным политикам. Имея дело с чистым знанием, которое в ближайшее время не предполагается использовать на практике, думаешь совершенно о другом. Измерения в мире элементарных частиц тоже намного проще, по крайней мере теоретически. Все электроны по природе своей одинаковы. Проводя измерения, приходится думать о статистической и системной погрешности, зато о неоднородности популяции можно спокойно забыть. Поведение одного электрона дает нам достоверную информацию о поведении всех электронов. Тем не менее представления о статистической и системной погрешности применимы и здесь.

Однако даже в «простых» физических системах необходимо заранее решить, какая точность нам необходима, ведь идеальных измерений не бывает. На практике вопрос сводится к тому, сколько раз экспериментатор должен повторить измерение и насколько прецизионный измерительный прибор при этом использовать. Решение за ним. Приемлемый уровень неопределенности определяется задаваемыми вопросами. Разные цели предполагают разные уровни прецизионности и точности.

К примеру, атомные часы измеряют время с точностью до одной десятитриллионной, но такое точное представление о времени мало кому нужно. Исключение — эксперименты по проверке теории гравитации Эйнштейна: в них лишней прецизионности и точности быть не может. До сих пор все тесты показывают, что эта теория работает, но измерения непрерывно совершенствуются. При более высокой точности могут проявиться невиданные до сих пор отклонения, представляющие новые физические эффекты, которые невозможно было заметить в ходе прежних, менее точных экспериментов. Если это произойдет, то замеченные отклонения позволят нам заглянуть в царство новых физических явлений. Если нет, придется сделать вывод о том, что теория Эйнштейна даже точнее, чем было установлено ранее. Мы будем знать, что ее можно уверенно применять в более широком диапазоне энергий и расстояний, к тому же с большей точностью.

Если же нам нужно «всего лишь» доставить человека на Луну, то мы, естественно, не обойдемся без знания физических законов, достаточного, чтобы не промахнуться, но привлекать общую теорию относительности не обязательно, и уж тем более не требуется принимать во внимание еще более мелкие потенциальные эффекты, представляющие возможные отклонения от нее.

ТОЧНОСТЬ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

В физике элементарных частиц мы пытаемся найти базовые правила, управляющие самыми мелкими и фундаментальными компонентами вещества, которые мы в состоянии обнаружить. Отдельный эксперимент здесь — это не измерения во множестве происходящих одновременно столкновений или периодически повторяющихся взаимодействий. Наши прогнозы относятся к единичным столкновениям известных частиц при определенной энергии. Частицы приходят в точку столкновения, взаимодействуют, а затем пролетают через детекторы, по пути, как правило, отдавая энергию. Физики, говоря о столкновении частиц, используют конкретные характеристики этих частиц — массу, энергию и заряд.

В этом отношении, несмотря на техническую сложность наших экспериментов, физике элементарных частиц повезло. Системы, которые мы изучаем, олжны быть как можно более простыми, чтобы можно было выделить в них фундаментальные компоненты и законы. Идея в том, чтобы сделать экспериментальные системы настолько чистыми, насколько позволяют имеющиеся ресурсы. Проблема для физиков заключается скорее в том, чтобы достичь требуемых физических параметров, а не в том, чтобы распутать и упростить сложные системы. Эксперименты сложны, потому что науке приходится все дальше отодвигать границы непознанного. Поэтому они часто проводятся на пределе энергий и расстояний, достижимых при данном уровне развития технологий.

По правде говоря, эксперименты в физике элементарных частиц вовсе не так просты, как кажется, даже если речь идет об изучении точных фундаментальных величин. Представляя полученные результаты, ученые непременно сталкиваются с одной из двух проблем. Если они увидели чтото необычное, то должны доказать, что это не может быть результатом какогото тривиального события в рамках Стандартной модели. Если они не увидели ничего нового, то, прежде чем заявлять, что этого нового не существует в рамках тех ограничений, которые установлены для исследователей в данный момент, они должны быть полностью уверены в том, что эксперименты проводились при адекватном уровне точности. Физики должны разбираться в чувствительности измерительной аппаратуры достаточно хорошо, чтобы понимать, что можно исключить, а что необходимо учитывать.

Чтобы быть уверенными в результате, экспериментаторы должны четко отличать те явления, что могут свидетельствовать о новой физике, от фоновых событий, возникающих в результате взаимодействия известных физических частиц Стандартной модели. Именно поэтому, чтобы сделать открытие, нам нужно увидеть множество столкновений. Из множества столкновений можно выбрать достаточно событий, представляющих новую физику, чтобы надежно отличить их от «скучных» процессов Стандартной модели, на которые они могут оказаться похожи.

Таким образом, любой наш эксперимент требует набора достаточной статистики. Самим измерениям тоже присущи неопределенности, которые делают многократное повторение необходимым. Квантовая механика говорит нам, что базовые события также обладают внутренней неопределенностью. Согласно законам квантовой механики, как бы хитроумно мы ни планировали эксперименты, в результате мы сможем получить лишь вероятность взаимодействия. Как бы мы ни проводили измерения, эта неопределенность никуда не денется. Это означает, что единственный способ точно измерить силу взаимодействия — повторить измерение много раз. Иногда эта неопределенность меньше, чем погрешность измерения, и вообще слишком мала, чтобы иметь значение. Но иногда ее необходимо принимать во внимание.

Квантово–механическая неопределенность говорит нам, к примеру, что масса распадающейся частицы неоднозначна по определению. Исходя из принципа неопределенности ни одно измерение энергии не может быть точным, если оно сделано за конечное время. Понятно, что время измерения должно быть короче, чем время жизни распадающейся частицы, и это определяет ожидаемые пределы вариации измеряемых масс. Так что если экспериментаторы обнаружили бы свидетельства существования новой частицы — те частицы, на которые она распалась, — то измерение ее массы потребовалось бы провести много раз. Ни одно из этих измерений не было бы точным, но среднее по всем измерениям значение сходилось бы к верной величине.

Во многих случаях квантово–механическая неопределенность массы меньше, чем систематическая погрешность (неизбежная ошибка) измерительной аппаратуры. Если это так, экспериментаторы могут просто не обращать внимания на квантово–механическую неопределенность массы. Но и в этом случае необходимо провести большое количество измерений, чтобы обеспечить их сходимость; причина — в вероятностном характере рассматриваемых взаимодействий. Как и в случае с испытаниями лекарственных средств, для получения верного ответа необходим большой объем статистических данных.

Важно понять, что вероятности, связанные с квантовой механикой, не совсем случайны. Вообще, эти вероятности вычисляются по вполне определенным законам. Мы убедимся в этом в главе 14, когда речь пойдет о массе W–бозона. Нам известна общая форма кривой, описывающей вероятность того, что в результате столкновения родится именно эта частица с заданной массой и заданным временем жизни. Результаты измерения энергии группируются вокруг верной величины, а их распределение согласуется с временем жизни частицы и принципом неопределенности. Хотя ни по одному из измерений в отдельности нельзя определить массу, по совокупности множества измерений это сделать можно. Существует вполне определенная процедура, позволяющая вывести массу частицы из среднего результата многократно повторенных измерений. Если измерений достаточно, экспериментаторы могут определить верную массу с определенным уровнем прецизионности (сходимости) и точности (правильности).

ИЗМЕРЕНИЯ И БАК

Вероятностная природа квантовой механики не подразумевает, что мы, по сути, ничего не знаем. Более того, зачастую все обстоит как раз наоборот. Нам известно достаточно много. К примеру, магнитный момент электрона — это его неотъемлемая характеристика, которую мы можем вычислить с высочайшей точностью при помощи квантовой теории поля, в которой сочетаются квантовая механика и специальная теория относительности и которая служит инструментом для изучения физических свойств элементарных частиц. Мой коллега по Гарварду Джеральд Гэбриелз измерил магнитный момент электрона с точностью до 13 значащих цифр, и он согласуется с прогнозом примерно в такой же степени. Уровень погрешности здесь составляет менее одной триллионной, что делает магнитный момент электрона физической константой, для которой теоретический прогноз и результат измерений согласуются лучше всего.

Никто, кроме физиков, не способен с такой точностью прогнозировать явления окружающего мира. Большинство людей при виде такой точности сказали бы, что и теория, и предсказанные ею явления известны абсолютно точно. Ученые же считают, что измерения и наблюдения, какими бы точными они ни были, всегда оставляют место для неожиданных открытий и новых идей.

Однако они всегда могут определить конкретный предел для масштаба этих новых явлений. Новые гипотезы могут изменять предсказания, но лишь на уровне неопределенности сегодняшних измерений или на еще более тонком уровне. Иногда предсказанные новые эффекты так слабы, что мы не надеемся добраться до них даже за время жизни Вселенной; в подобных случаях даже ученые способны делать определенные заявления типа: «Этого не произойдет никогда».

Очевидно, измерения Гэбриелза свидетельствуют о том, что квантовая теория поля верна с очень высокой степенью точности. Но даже в этом случае мы не можем гарантировать, что не существует ничего, кроме квантовой теории поля, физики элементарных частиц или Стандартной модели. Как объяснялось в главе 1, под видимой сегодня картиной могут скрываться новые факты, действие которых проявляется только на следующих энергетических уровнях или при еще более точных измерениях. Поскольку нам не удалось пока экспериментально исследовать соответствующие диапазоны расстояний и энергий, ответа на этот вопрос у нас нет.

Эксперименты на БАКе проходят при более высоких энергиях, чем все, что нам удавалось получить до сих пор, и потому открывают для нас новые возможности — возможности открытия новых частиц или взаимодействий непосредственно, путем наблюдений, а не через косвенные эффекты, которые можно зарегистрировать лишь при самых точных измерениях. По всей видимости, измерения на БАКе не достигнут энергий достаточно высоких, чтобы на них проявились отклонения от квантовой теории поля. Но не исключено, что они помогут обнаружить другие явления, которые могли бы предсказать отклонения от прогнозов Стандартной модели; не исключено, что это коснется даже точно измеренного магнитного момента электрона.

Для любой физической модели, более фундаментальной, чем Стандартная модель, даже самое мелкое предсказанное отклонение — де внутренний механизм невиданной до сих пор теории даст видимый эффект — стало бы ценнейшим указанием на фундаментальную природу реальности. Отсутствие до сих пор подобных несоответствий говорит об уровне точности существующей теории и о том, насколько высокие энергии надо задействовать, чтобы обнаружить чтонибудь новое, даже не зная в точности природы потенциально новых явлений.

Но настоящий урок эффективной теории заключается в том, что мы по–настоящему приходим к пониманию и объекта исследования, и связанных с этим ограничений только тогда, когда доходим до предела ее применимости. Эффективные теории, учитывающие существующие ограничения, не только классифицируют наши идеи на данном масштабе, но и говорят, при помощи каких последовательных методов можно определить, насколько серьезными могут оказаться новые эффекты при каждом конкретном значении энергии.

Измерения электромагнитного и слабого взаимодействий согласуются с предсказаниями Стандартной модели на уровне 0,1%. Частота столкновений частиц, их массы, скорости распада и другие характеристики совпадают с предсказанными величинами именно на этом уровне точности и сходимости. Таким образом, Стандартная модель оставляет место для новых открытий; новые физические теории, возможно, предскажут отклонения от нее, но эти отклонения должны быть достаточно слабыми, поскольку они оставались незамеченными до сих пор. Эффект от любого нового явления или фундаментальной теории должен оказаться слишком слабым, чтобы до сих пор его никто не заметил, — либо потому, что сами взаимодействия очень слабы, либо потому, что эффекты эти связаны со слишком тяжелыми частицами, которые не удается получить при достигнутых до сих пор энергиях. Существующие измерения демонстрируют, насколько высокие энергии нужны для непосредственного обнаружения новых частиц или новых взаимодействий, не способных вызвать более серьезных отклонений, чем позволяют текущие неопределенности. Они говорят нам также о том, насколько редкими должны быть подобные события. Существенно повышая точность измерений или проводя опыты в других физических условиях, экспериментаторы ищут отклонения от модели, при помощи которой до сих пор описываются все экспериментальные результаты физики элементарных частиц.

Нынешние эксперименты основаны на представлении, что новые идеи строятся на базе успешной эффективной теории, применимой на более низком уровне энергий. Их цель — открыть новое вещество или новые взаимодействия, не забывая, что физика собирает знания от масштаба к масштабу. Изучая явления при максимальных достижимых на БАКе энергиях, мы надеемся отыскать теорию, лежащую в основе всего, что мы до сих пор наблюдали. Даже если мы не сможем воочию увидеть никаких новых явлений, данные БАКа дадут нам ценные и жесткие ограничения на явления и теории, которые могут существовать за пределами Стандартной модели. И если наши теоретические рассуждения верны, новые явления со временем появятся, но на более высоких энергиях, нежели те, что генерирует сейчас БАК. Подобные открытия вынудят нас расширить Стандартную модель или включить ее в более полную концепцию. Мы полагаем, что более полная модель будет работать с большей точностью на более широком диапазоне расстояний и энергий.

Мы не знаем, которая из теорий окажется верной. Мы не знаем также, когда будут сделаны новые открытия. Ответы на эти вопросы зависят от того, как на самом деле устроен мир, — а мы этого не знаем, ведь иначе нам не пришлось бы ничего исследовать. Но для любой конкретной гипотезы об устройстве мироздания мы представляем, как вычислить проверяемые следствия и определить, когда примерно их можно будет проверить. В двух следующих главах мы рассмотрим, как проводятся эксперименты на БАКе, а затем в части IV поговорим о том, как физики создают модели и предсказывают, что можно будет увидеть в ходе эксперимента.

В августе 2007 г. испанский физики руководитель теоретической группы CERN Луис Альварес–Гаме настойчиво посоветовал мне присоединиться к экскурсии по эксперименту ATLAS, которую физики–экспериментаторы Питер Дженни и Фабиола Джанотти собирались провести для нобелевского лауреата Цзундао Ли и еще нескольких ученых. Невозможно было устоять перед заразительным энтузиазмом Питера и Фабиолы, которые в то время были официальными представителями этого проекта и щедро делились своими знаниями и опытом; их речь была буквально переполнена подробностями эксперимента.

РИС. 29. Взгляд вниз, в «гнездо» для детектора ATLAS, со специальной платформы наверху. Видны трубы, по которым вниз доставлялись детали и строительные материалы

Собравшиеся ученые надели защитные каски и вошли в туннель БАКа. Первой остановкой оказалась специальная площадка, с которой мы смогли заглянуть вниз в громадную выемку, как показано на фотографии (рис. 29). Гигантская полость с вертикальными трубами, по которым оттуда, где мы стояли, на дно полости — на стометровую глубину— предполагалось доставлять части детектора, поразила и заворожила меня. Мы с нетерпением ждали возможности взглянуть на все это поближе.

После первой остановки мы спустились вниз, на дно шахты, где размещался не собранный еще до конца детектор ATLAS. В его незаконченности была особая прелесть — можно было увидеть внутренности детектора, которые позже, разумеется, предполагалось закрыть и спрятать от глаз — по крайней мере до тех пор, пока БАК не будет выключен на длительное время для обслуживания и ремонта. Так что мы получили уникальную возможность заглянуть непосредственно в недра хитроумной и очень внушительной конструкции — разноцветного лабиринта, превосходящего по своим размерам неф собора Парижской Богоматери.

Но размер сам по себе — не главная достопримечательность детектора. На тех из нас, кто вырос в Нью–Йорке или любом другом крупном городе, громадные строительные проекты не производят особого впечатления. Экспериментальная установка ATLAS производит такое сильное впечатление потому, что этот громадный детектор составлен из множества маленьких чувствительных элементов, причем некоторые из них предназначены для измерения расстояний с точностью до микрона. Вообще, в экспериментах на БАКе заключена своеобразная ирония: чтобы точно измерить мельчайшие расстояния, приходится строить громадные установки. Сегодня, демонстрируя на публичных лекциях фотографию этого детектора, я считаю своим долгом обязательно подчеркнуть, что ATLAS —устройство не только большое, но и точное. Это и поражает.

Год спустя, в 2008 г., я вновь приехала в CERN и увидела, насколько продвинулось строительство ATLAS. Торцы установки, открытые в прошлом году, теперь были закрыты. Кроме того, я вместе с физиком Чинцией Да Виа и моим коллегой Гиладом Пересом (вы можете увидеть его на рис. 30) побывала на не менее впечатляющей экскурсии по CMS — второму универсальному детектору БАКа.

РИС. 30. Мой коллега Гилад Перес перед частью «слоеного» детектора мюонов CMS — ярмом магнита

Гилад до этого не бывал ни на одном из измерительных комплексов БАКа, так что я смогла его глазами увидеть все заново и вновь пережить свое первое впечатление. Воспользовавшись тем, что охрана на детекторе оказалась не слишком строгой, мы облазили всю установку и даже заглянули в трубку, предназначенную для протонного пучка (рис. 31). Гилад заметил, что именно в этом месте, возможно, скоро будут созданы многомерные частицы, которые помогут доказать предложенную мною теорию. Неизвестно, конечно, мою модель они докажут или какуюнибудь другую, и все же приятно вспомнить, что эта трубка — то самое место, где мы вскоре сможем заглянуть в тайны новых элементов мироздания.

В главе 8 я представила вам машину, которая ускоряет протоны и сталкивает их друг с другом. В этой главе мы сосредоточимся на двух универсальных детекторах проекта БАКа — CMS и ATLAS; именно они будут определять, что получилось в результате столкновения. Остальные змерительные комплексы БАКа — ALICE, LHCb, ТОТЕМ, ALFA и LHCf — предназначены для более конкретных целей, включая попытку лучше понять сильное взаимодействие и провести точные измерения «красивых» кварков (Ь–кварков). Эти эксперименты, скорее всего, будут изучать элементы Стандартной модели во всех подробностях, но вряд ли откроют законы новой высокоэнергетической (за пределами Стандартной модели) физики, а ведь именно в этом заключается главная цель БАКа. А вот CMS и ATLAS — основные детекторы БАКа; именно на них будут проведены измерения, которые, как мы надеемся, помогут нам обнаружить новые элементы вещества.

РИС. 31. Чинция Да Виа (слева) проходит мимо места, где мы смогли заглянуть в протонную трубку (справа)

В этой главе вы найдете немало технических деталей. Даже теоретикам вроде меня не обязательно знать все эти факты. Те из вас, кого интересует только новая физика, которую нам, возможно, удастся открыть, или концепция БАКа в целом, вполне могут ее пропустить. И все же нельзя не признать, что экспериментальные установки БАКа производят сильное впечатление. Опустить эти подробности было бы неправильно.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

В определенном смысле детекторы — и ATLAS, и CMS — представляют собой логическое развитие того пути, которое Галилей и другие ученые начали несколько столетий назад. Тогда с изобретения микроскопа началось развитие техники, которая позволяла физикам опосредованно изучать все более мелкие расстояния. Ученые постепенно открывали новые уровни структуры вещества, наблюдать которые можно только при помощи самых крохотных зондов.

Эксперименты на БАКе разработаны для того, чтобы исследовать субструктуры и взаимодействия на расстояниях, в сотни тысяч триллионов раз меньших, чем сантиметр. Это примерно в десять раз меньше по размеру, чем все, что прежде приходилось исследовать ученым. Хотя предыдущие высокоэнергетические эксперименты на коллайдерах, к примеру на тэватроне в Лаборатории имени Ферми в Батавии (штат Иллинойс), строились примерно на тех же принципах, что и новые детекторы БАКа, рекордные энергии и высокая частота столкновений поставили перед инженерами немало новых задач и, вообще говоря, предопределили небывалый размер и сложность устройств.

Подобно космическим телескопам, эти детекторы после строительства становятся практически недоступными. Они находятся глубоко под землей и подвергаются действию сильного излучения. Никто не в состоянии проникнуть в детектор, пока БАК работает. Но, даже когда коллайдер выключен, добраться до конкретного детекторного элемента чрезвычайно сложно, да и времени на это требуется очень много. Именно поэтому детекторы строятся так, чтобы они могли работать по крайней мере десять лет без всякого обслуживания. Впрочем, каждые два года БАК предполагается останавливать на длительный период, в течение которого физики и инженеры получат доступ ко многим компонентам детектора.

В одном очень важном отношении экспериментальные установки для регистрации элементарных частиц сильно отличаются от телескопов и микроскопов: они «смотрят» одновременно во все стороны. Столкновения происходят, частицы вылетают. Детекторы фиксируют любое событие, которое потенциально может оказаться интересным. ATLAS и CMS — универсальные детекторы. Они не регистрируют один только тип частиц или событий, не фиксируют признаки конкретных процессов. Эти установки сконструированы так, чтобы впитывать в себя максимальное количество данных от широчайшего спектра взаимодействий и энергий. Уже потом экспериментаторы, располагающие громадными вычислительными возможностями, попытаются однозначно выделить из общей массы событий информацию о конкретных частицах и продуктах их распада.

В эксперименте CMS — в строительстве установки, работе с ней и обработке полученных данных — принимают участие более 3000 человек из 183 научных институтов, представляющих 38 стран. Возглавляет проект итальянский физик Гвидо Тонелли.

В нарушение традиции Центра, согласно которой главой чеголибо может быть только мужчина, яркая итальянская донна Фабиола Джанотти стала «лицом» второго универсального детектора — ATLAS. Она в полной мере заслужила эту честь. Это очень мягкий, дружелюбный и вежливый человек и прекрасный ученый и организатор. Настоящую же зависть у меня вызывает тот факт, что она, помимо всего прочего, прекрасно готовит; вероятно, это естественно для итальянки, от внимания которой не может уйти даже самая мелкая подробность.

ATLAS тоже собрал вокруг себя гигантский коллектив. На декабрь 2009 г. в этом эксперименте принимали участие свыше 3000 ученых из 174 институтов 38 стран. Первоначально сообщество было сформировано в 1992 г., когда два предложенных эксперимента — EAGLE (Experiment for Accurate Gamma, Lepton, and Energy Measurements — эксперимент по точному измерению гамма–квантов, лептонов и энергии) и ASCOT (Apparatus with Super Conducting Toroids — аппарат с суперпроводящими тороидами) — объединились в один, соединив в конструкции черты того и другого с некоторыми элементами предложенных детекторов суперколлайдера SSC. Окончательное предложение было опубликовано в 1994 г., а еще два года спустя ATLAS получил финансирование.

Два основных эксперимента БАКа схожи по основной конструкции, но различаются особенностями конфигурации и реализации, что достаточно подробно показано на рис. 32. Они дополняют друг друга, имея немного разные возможности. Новые открытия ставят перед физикой элементарных частиц крайне сложные проблемы, поэтому два различных детектора, настроенные на регистрацию одних и тех же объектов, дадут гораздо более достоверные результаты, если смогут подтвердить находки друг друга. Если оба эксперимента приведут ученых к одному и тому же выводу, это придаст всем участникам проекта уверенности.

Помимо прочего, присутствие двух схожих экспериментальных установок вносит в исследования элемент соперничества; коллеги–экспериментаторы постоянно напоминают мне об этом. Конкуренция заставляет тех и других работать как можно быстрее и при этом тщательнее. Кроме того, члены двух коллективов учатся друг у друга. Хорошая идея обязательно найдет себе дорогу в обоих экспериментах, хотя, вероятно, реализована будет по–разному. В основе решения о строительстве двух экспериментальных установок с общими целями лежит, вероятно, стремление обеспечить условия для конкуренции и сотрудничества, а также своеобразное желание «подстраховаться», запустив два независимых проекта со сходными целями, опирающиеся на немного разные устройства.

Меня часто спрашивают, когда БАК будет проводить мои эксперименты и искать подтверждения моделей, предложенных моими коллегами и мной. Ответ — прямо сейчас, но одновременно там ищут и подтверждения всех остальных предположений. Помощь теоретиков заключается в том, что они предлагают новые объекты и новые стратегии поиска. Цель наших исследований — определить, какие физические элементы или взаимодействия присутствуют на более высоких энергиях, чтобы физики могли отыскать, измерить и интерпретировать результаты и получить таким образом новые представления о фундаментальной реальности, какой бы она ни оказалась. Только после получения всех данных экспериментаторы, разбитые на команды, начинают разбираться, подтверждает ли полученная информация мои модели (или любые другие потенциально интересные модели) или отвергает их.

РИС. 32. Детекторы ATLAS и CMS в разрезе. Обратите внимание на то, что общие размеры даны в разных масштабах

Затем теоретики и экспериментаторы проверяют записанные данные и смотрят, не подтверждают ли они какуюнибудь конкретную гипотезу. Хотя многие частицы живут лишь ничтожные доли секунды и мы не можем увидеть их непосредственно, физики–экспериментаторы при помощи цифровых данных восстанавливают «картинку» и стараются установить, какие частицы составляют основу вещества и как они взаимодействуют. Учитывая сложность детекторов и самих данных, можно сделать вывод, что информации потребуется много. Остальная чать этой главы поможет вам представить, какой будет эта информация.

ДЕТЕКТОРЫ ATLAS И CMS

Мы проследили путь протонов в БАКе от атомов водорода, из которых они извлекаются, через ускорение до высоких энергий в 27–километровом кольце. Два полностью параллельных луча никогда не пересекутся; то же можно сказать и о двух пучках протонов, движущихся в противоположных направлениях внутри специальных тонких трубок. Поэтому в нескольких точках кольца дипольные магниты отклоняют протонные пучки от их неизменного кольцевого маршрута, а квадрупольные магниты фокусируют их таким образом, что протоны двух пучков встречаются и взаимодействуют в пределах области меньше 30 микрон в поперечнике. Точки в центре каждого детектора, где происходят протон–протонные столкновения, известны как точки взаимодействия.

Экспериментальные установки (на рис. 33 изображено устройство детектора CMS) располагаются концентрически вокруг каждой из этих точек, чтобы улавливать и регистрировать многочисленные частицы, которые рождаются при частых столкновениях протонов. Детекторы имеют цилиндрическую форму — ведь, несмотря на то что пучки протонов движутся с равной скоростью в противоположных направлениях, в столкновениях, как правило, проявляется и продольное движение в обоих направлениях. Вообще, поскольку размер отдельного протона много меньше поперечных размеров пучка, большая часть протонов вообще не участвует в столкновениях, а продолжает лететь дальше по трубке, лишь слегка отклонившись от своего пути. Интерес для ученых представляют лишь те редкие события, в которых отдельные протоны сталкиваются лоб в лоб.

Это означает, что хотя большинство частиц продолжает двигаться вдоль направления пучка, потенциально интересные события порождают настоящий дождь частиц, разлетающихся преимущественно в поперечном направлении. Цилиндрические детекторы сконструированы таким образом, чтобы улавливать максимальное число продуктов взаимодействия, учитывая и разлет частиц вдоль направления движения пучка. Детектор CMS располагается возле одной из точек столкновения протонов под землей — возле Сэсси во Франции, недалеко от границы со Швейцарией, а точка взаимодействия детектора ATLAS лежит под швейцарским городом Мэйрин — совсем рядом с основным комплексом CERN (на рис. 34 вы можете видеть условное изображение частиц, разлетающихся после столкновения и проходящих сквозь разрез детектора ATLAS).

РИС. 33. Компьютерное изображение устройства CMS с показом отдельных компонентов. (Графика печатается с разрешения CERN и проекта CMS.)

Частицы Стандартной модели характеризуются массой, спином и характером взаимодействий, в которых они участвуют. Что бы ни возникало в итоге в результате столкновений, и та и другая экспериментальная установка распознают все при помощи известных сил и взаимодействий Стандартной модели. Иной возможности у нас нет. Частицы без соответствующих зарядов покинули бы область взаимодействия, не оставив за собой следа.

Но, когда детектор регистрирует взаимодействия из арсенала Стандартной модели, он может разобраться в них и «понять», что произошло. Именно это и должны делать обе экспериментальные установки. И CMS, и ATLAS измеряют энергию и импульс фотонов, электронов, мюонов, тау–лептонов и, наконец, частиц, участвующих в сильном взаимодействии, которые вовлекаются в потоки плотно сгруппированных частиц, летящих в одном направлении. Детекторы, установленные вокруг точки взаимодействия, должны измерять энергию или заряд и таким образом идентифицировать частицы. Чтобы не утонуть в море информации, они снабжены сложнейшими компьютеризированными устройствами, программным обеспечением и электроникой. Экспериментаторы распознают заряженные частицы, потому что те взаимодействуют с другими, известными нам заряженными частицами. Они регистрируют также все объекты, которые участвуют в сильном взаимодействии.

РИС. 34. Условное изображение события в детекторе ATLAS. Показан разлетающийся в поперечных направлениях дождь частиц, пронизывающих по пути слои детектора. (Обратите внимание: человек внизу помогает представить масштаб установки, но на самом деле, когда в детекторе находятся люди, столкновений не бывает.) Хорошо видны характерные тороидальные магниты. (Фото печатается с разрешения Европейского центра ядерных исследований и руководства проекта ATLAS.)

Все компоненты детектора, по существу, отслеживают перенос заряда — те электроны, что возникают при взаимодействии частиц с материалом детектора. Иногда в веществе возникает ливень частиц — множество электронов и фотонов, а иногда вещество просто ионизируется и регистрируется заряд. Но в любом случае чувствительные элементы регистрируют сигнал и посылают его в компьютеры для обработки и анализа.

Магниты также представляют собой принципиально важную часть обоих детекторов. Они необходимы для измерения как знака зарядов, так и импульсов заряженных частиц. Электрически заряженные частицы в магнитном поле отклоняются от прямой, причем радиус изгиба траектории зависит от скорости движения частицы. Чем больше импульс частицы, тем прямее она движется, а частицы с противоположными зарядами отклоняются в противоположные стороны. Частицы в БАКе обладают огромной энергией (и импульсом), поэтому экспериментальным установкам нужны очень сильные магниты, иначе не удастся заметить и измерить еле заметную кривизну треков энергичных заряженных частиц.

Установка под названием «Компактный мюонный соленоид» (Compact Muon Solenoid, CMS) — меньшая из двух главных универсальных детекторов БАКа, зато более тяжелая; ее ошеломляющая масса достигает 12 500 т. «Компактные» размеры таковы: 21 м в длину и 15 м в диаметре. Это чуть меньше, чем размеры ATLAS, и все же достаточно, чтобы полностью занять теннисный корт.

Отличительная особенность CMS — сильное магнитное поле напряженностью 4 Тл, на которое намекает слово «соленоид» в названии. Соленоид во внутренней части детектора представляет собой цилиндрическую катушку диаметром 6 м из сверхпроводящего кабеля. Ярмо магнита, проходящее через наружную часть детектора, также производит сильное впечатление — и, кстати говоря, составляет значительную часть его громадной массы. Железа в нем больше, чем в парижской Эйфелевой башне.

Обратите внимание также на слово «мюонный» в названии установки (по крайней мере, меня оно в свое время заинтересовало). Быстрое распознавание электронов и мюонов — их более тяжелых эквивалентов, проникающих в самые внешние слои детектора — может быть очень важно для обнаружения новых частиц, поскольку именно такие энергичные частицы иногда рождаются при распаде тяжелых объектов. Поскольку эти объекты не участвуют в сильном взаимодействии, они, скорее всего, представляют собой нечто новое — ведь протоны автоматически их не порождают. Таким образом, эти без труда распознаваемые частицы (мюоны) могут указывать на присутствие какойнибудь интересной распавшейся частицы, рожденной во время столкновения. Магнитное поле в CMS с самого начала проектировалось в расчете на энергичные мюоны, с тем чтобы установка могла их «ловить». Это означает, что детектор непременно зарегистрирует данные о любом событии с их участием, даже если вынужден будет оставить за бортом большое количество иной информации.

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), как и CMS, содержит в своем названии ссылку на магниты, поскольку для его работы также необходимо сильное магнитное поле. Слово «тороидальный» в названии относится именно к магнитам. Поле, которое они создают, не такое мощное, как в CMS, зато занимает громадный объем. Именно изза громадных магнитных тороидов ATLAS стал более крупным из двух универсальных детекторов и вообще самой крупной экспериментальной установкой в истории человечества. Его длина 46 м, диаметр — 25 м; он удобно устроился в пещере длиной 55 и высотой 40 м. Весит детектор 7000 т и уступает CMS по массе почти вдвое.

Чтобы иметь возможность измерять все характеристики частиц, ATLAS окружает зону столкновений множестом все более крупных цилиндрических детекторных элементов. В конструкции и CMS, и ATLAS предусмотрено несколько устройств, предназначенных для измерения траекторий и зарядов пролетающих частиц. Вылетая из точки столкновения, частицы встречают на своем пути внутренние трекеры, назначение которых — точно измерить положение частицы неподалеку от точки вылета. Затем идут калориметры, измеряющие энергию, которую, останавливаясь, отдают не слишком энергичные частицы. Наконец приходит очередь мюонных детекторов, расположенных во внешнем контуре установки; они измеряют энергию мюонов, обладающих высокой проникающей способностью. Каждый из перечисленных детекторных элементов состоит из множества слоев, что увеличивает точность каждого измерения. Сейчас мы с вами совершим экскурсию по экспериментальным установкам вслед за частицами и посмотрим, как россыпь частиц, вылетающих из точки столкновения, превращается в массив легко распознаваемой информации.

ТРЕКЕРЫ

В самой глубине детектора, ближе всего к зоне взаимодействия, располагаются так называемые трекеры. Их задача — точно зафиксировать положение вылетающих из зоны заряженных частиц, чтобы затем можно было восстановить траекторию каждой частицы и измерить импульс. И в CMS, и в ATLAS трекеры включают в себя несколько концентрических компонент.

Ближайшие к пучку и зоне взаимодействия слои состоят из самых мелких сегментов и обеспечивают большую часть данных. В этом слое, который начинается в нескольких сантиметрах от протонной трубки, располагаются кремниевые пиксели с крохотными датчиками. Их задача — чрезвычайно точное фиксирование положений частиц возле самой точки взаимодействия, где плотность потока частиц максимальна. Кремний используется в современной электронике потому, что на каждом крохотном его кусочке можно вытравить множество тонких элементов, и детекторы элементарных частиц используют его по той же причине. Пиксельные элементы CMS и ATLAS способны отслеживать пролет заряженных частиц с чрезвычайно высоким разрешением. Соединяя пиксели друг с другом и с точкой взаимодействия, из которой разлетаются частицы, экспериментаторы очень точно восстанавливают траектории, по которым проходят частицы во внутренней области детектора в непосредственной близости от пучка.

Первые три слоя детектора CMS — от самого внутреннего до радиуса 11 см — состоят из пикселей размером 100 х 150 мкм; всего таких пикселей 66 млн. Внутренний пиксельный детектор ATLAS не менее точен. Самая мелкая единица внутренней части детектора, с которой можно считать информацию, имеет размер 50 х 400 мкм; полное число таких пикселей в ATLAS — около 82 млн, то есть немного больше, чем в CMS.

Пиксельным детекторам с их десятками миллионов ячеек необходима сложная электронная система, обеспечивающая надежное и своевременное считывание информации. Быстродействие и масштабы системы считывания, а также сильнейшее излучение, которому будут подвергаться элементы внутренних детекторов, — вот главные технические проблемы, которые пришлось решать при создании обеих установок [рис. 35).

Внутренние трекеры состоят из трех слоев; соответственно, для каждой достаточно долго живущей заряженной частицы, проходящей сквозь них, фиксируется по три точки. Начатые здесь треки будут продолжены в следующих слоях и в конце концов дадут устойчивый след, который можно будет однозначно соотнести с какойто определенной частицей.

Мы с Мэттью Бакли уделили серьезное внимание геометрии внутренних трекеров. Мы поняли, что по случайному совпадению некоторые возникшие при столкновении новые заряженные частицы, распадающиеся через слабое взаимодействие до своих нейтральных партнеров, оставят после себя след длиной всего несколько сантиметров. Это означает, что в этих особых случаях их путь целиком будет лежать в пределах толщины внутреннего трекера, и помимо считанной здесь информации ничего об этих частицах известно не будет. Мы рассмотрели дополнительные трудности, с которыми столкнутся экспериментаторы в подобных ситуациях — ведь им придется опираться только на данные с пикселей самых глубоких слоев внутреннего детектора.

Большинство заряженных частиц, однако, живут достаточно долго, чтобы добраться до следующего элемента трекера, так что чаще всего детекторы регистрируют гораздо более длинную траекторию. Для этого снаружи от внутренних пиксельных детекторов, дающих высокое разрешение в двух направлениях, располагаются кремниевые стрипы (полоски), размеры которых в одном направлении сильно уступают размерам в другом. Длинные стрипы хорошо согласуются с цилиндрической формой установки и позволяют покрыть гораздо большую площадь (не забывайте, что площадь цилиндра с увеличением радиуса быстро увеличивается).

РИС. 35. Чинция Да Виа и инженер Доменико Даттола на лесах перед одной из головок кремниевого трекера CMS, куда подводятся кабели считывающей системы

Кремниевый трекер CMS состоит из 13 слоев в центральной части и 14 — на концах цилиндра. После первых трех мелкопиксельных слоев, которые мы только что описали, идут четыре слоя кремниевых стрипов. Детекторные элементы здесь представляют собой полоски длиной 10 см и шириной 180 мкм. Остальные шесть слоев еще менее точны и дают более грубые координаты. Полоски здесь имеют длину 20 см, а ширину от 80 до 205 мкм. Эти слои достигают радиуса 1,1 м. Полное число кремниевых полосок во внутреннем трекере CMS составляет 9,6 млн. Все они необходимы для надежного восстановления траекторий большинства пролетающих сквозь них заряженных частиц. В целом, если развернуть все кремниевые слои на плоскости, внутренний детектор CMS покроет примерно площадь теннисного корта — значительное достижение по сравнению с предыдущим кремниевым детектором, чувствительные элементы которого занимали площадь всего около 2 м².

Внутренний детектор ATLAS доходит до несколько меньшего радиуса — 1 м — и тянется в продольном направлении на 7 м. Как и в CMS, снаружи от трех внутренних пиксельных слоев располагается полупроводниковый стриповый детектор SCT, состоящий из четырех слоев кремниевых стрипов. В ATLAS использованы полоски длиной 12,6 см и шириной 80 мкм. Полная площадь SCT также огромна и составляет 61 м². Если пиксельные детекторы важны при восстановлении подробностей трека в самом его начале, возле точки взаимодействия, то SCT играет громадную роль в восстановлении трека в целом — ведь он регистрирует трек на гораздо более значительной протяженности и с высокой точностью (хотя и в одном направлении).

В отличие от CMS, внешний трекер установки ATLAS изготовлен не из кремния. Так называемый детектор переходного излучения TRT — самый внешний компонент внутреннего детектора — состоит из газонаполненных трубочек и служит не только трекером, но и детектором переходного излучения. Треки заряженных частиц регистрируются и измеряются, когда частицы ионизируют газ в «соломинках» — дрейфовых трубках длиной 144 см и толщиной 4 мм, снабженных в центральной части датчиками ионизации. Здесь тоже максимальное разрешение обеспечивается в поперечном направлении. «Соломинки» измеряют траектории с точностью до 200 мкм, что, конечно, меньше, чем во внутреннем трекере, зато они покрывают гораздо большую площадь. Кроме того, этот детектор помогает различить частицы, двигающиеся со скоростями, очень близкими к скорости света, и порождающими так называемое переходное излучение. Это помогает различить частицы разной массы — ведь более легкие частицы, как правило, движутся быстрее — и, соответственно, опознать электроны.

Если такое обилие подробностей кажется вам ошеломляющим, помните, что даже большинству физиков такое количество информации ни к чему. Эти данные позволяют почувствовать масштаб и точность этих великолепных инструментов и, разумеется, важны для любого, кто работает с конкретным компонентом детектора. Но даже те, кто хорошо знаком с одним компонентом, редко с таким же вниманием следят за остальными. Я узнала об этом совершенно случайно, когда пыталась выяснить авторство несколькх фотографий детектора и понять, насколько точны некоторые графики и диаграммы. Так что не расстраивайтесь, если вам не удалось понять все это с первого раза. Все эти подробности известны, конечно, немногочисленным специалистам, координирующим строительство, но даже многие экспериментаторы не держат их постоянно в своей голове.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КАЛОРИМЕТР ECAL

Пройдя сквозь три типа трекеров, частица попадает в следующую по ходу путешествия секцию детектора — электромагнитный калориметр (ECAL). Этот прибор регистрирует энергию, которую отдают при торможении все частицы — и заряженные, и нейтральные, — и координаты точки, в которой они покидают (если хватает энергии) его зону; в первую очередь речь идет о фотонах и электронах. Детекторный механизм отслеживает возникновение ливня частиц, который порождают случайные электроны и фотоны при взаимодействии с веществом калориметра. Эта часть детектора выдает для каждой из этих частиц и точное значение энергии, и координатную информацию.

Материал, использованный в калориметре ECAL детектора CMS, сам по себе удивителен и заслуживает внимания. Это кристаллический вольфрамат свинца, выбранный за свою плотность и оптическую чистоту, — именно то, что нужно для торможения и регистрирования прибывающих электронов и фотонов. Возможно, по моей фотографии на рис. 36 вы сможете себе это представить. Это поразительное вещество, невероятно прозрачное. Вы наверняка никогда не видели ничего настолько плотного и при этом настолько прозрачного. Полезны эти кристаллы еще и потому, что они способны измерять электромагнитную энергию невероятно точно, а точность, как мы узнаем в главе 16, может сыграть принципиально важную роль в поисках неуловимого бозона Хиггса.

РИС. 37. Структура электромагнитного калориметра в детекторе ATLAS напоминает гармошку

РИС. 36. Такие кристаллы вольфрамата свинца используются в электромагнитном калориметре CMS

В экспериментальной установке ATLAS для остановки электронов и фотонов используется свинец. Взаимодействия, происходящие в этом поглотителе, переводят первоначальную энергию движущейся заряженной частицы в ливень частиц, суммарная энергия которых, собственно, и регистрируется. Затем эта энергия передается жидкому аргону — инертному газу, который не взаимодействует химически с другими элементами и очень устойчив к действию излучения. По его реакции можно судить об энергии первоначальной частицы.

Этот элемент детектора ATLAS произвел на меня сильное впечатление во время экскурсии. Фабиола принимала участие в разработке и конструировании этого калориметра с радиальными слоями свинцовых пластин, уложенных подобно мехам гармошки и разделенных тонкими слоями жидкого аргона и электродами. Она рассказала нам, что такое строение позволяет заметно ускорить процесс считывания результатов, потому что в этом случае электроника располагается намного ближе к элементам детектора (рис. 37).

АДРОННЫЙ КАЛОРИМЕТР HCAL

Следующим на пути от протонной трубки и зоны взаимодействия вдоль радиуса наружу располагается адронный калориметр HCAL. Этот прибор измеряет энергию и положение адронов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии, —хотя и менее точно, чем электромагнитный калориметр измеряет энергию электронов и фотонов.

Снижение точности—вынужденная мера. Дело в том, что HCAL громаден. В детекторе ATLAS, к примеру, этот калориметр имеет диаметр 8 м и длину 12 м. Сегментировать HCAL с той же точностью, что и ECAL, было бы неподъемно дорого, поэтому точность трековых измерений в нем сознательно снижена. Кроме того, измерять энергию частиц, участвующих в сильном взаимодействии, попросту сложнее (вне зависимости от сегментации), потому что флуктуации энергии в адронных ливнях намного больше.

В установке CMS адронный калориметр собран из слоев материала высокой плотности — бронзы или стали, — чередующихся с пластиковыми сцинтилляторными ячейками, которые регистрируют энергию и положение пролетающих сквозь них адронов по интенсивности сцинтилляции. В центральной части детектора ATLAS в качестве материала–поглотителя используется железо, но сам адронный калориметр работает примерно так же.

МЮОННЫЙ ДЕТЕКТОР

Самый внешний слой в любом универсальном детекторе элементарных частиц составляют мюонные камеры. Мюоны, как вы помните, — это заряженные частицы, похожие на электроны, но в 200 раз тяжелее. Ни электромагнитный, ни адронный калориметры не способны их остановить. Эти частицы, не обращая ни на что внимания, летят прямиком в толстый внешний слой детектора (рис. 38).

Энергичные мюоны очень полезны в поиске новых частиц; в отличие от адронов, они достаточно изолированы, их траектории относительно легко регистрировать и измерять. Экспериментаторы хотят регистрировать все события с участием энергичных мюонов, разлетающихся в поперечном направлении, потому что самые интересные столкновения редко обходятся без их участия. Мюонные детекторы могут также оказаться полезными для регистрации любых других тяжелых и стабильных заряженных частиц, которым удастся добраться до внешних пределов детектора.

РИС. 38. В CMS мюонный детектор встроен в ярмо магнита. Снимок сделан в период строительства

Мюонные камеры регистрируют следы мюонов, достигших внешнего слоя детекторов. В некоторых отношениях мюонный детектор похож на внутренний — те же трекеры и магнитные поля, которые отклоняют мюоны от прямой, чтобы можно было измерить изгиб траектории и импульс частицы. Однако магнитное поле в мюонных камерах отличается от поля во внутренних трекерах, да и сам детектор намного толще, что позволяет измерять даже очень небольшую кривизну траектории и, соответственно, регистрировать частицы с более высоким импульсом (их полет в магнитном поле меньше отклоняется от прямой). В CMS мюонные камеры занимают пространство от трех метров до внешнего радиуса детектора — примерно 7,5 м; в ATLAS они начинаются на четырех метрах и тянутся до внешних пределов детектора — до 11 м. Эти громадные конструкции позволяют измерять положение частиц с точностью до 50 мкм.

ТОРЦЕВЫЕ ЧАСТИ

Последние элементы детектора, о которых мы еще не говорили, — оконечные элементы, детекторы на переднем и заднем концах экспериментальной установки (на рис. 39 можно увидеть их примерную структуру). Теперь мы будем двигаться не по радиусу от луча наружу — последним этапом в этом направлении были мюонные детекторы, — а вдоль оси цилиндра к его концам и ограничивающим их «крышкам». Цилиндрическая часть установки «закупорена» там специальными детекторами, назначение которых—обеспечить регистрацию максимального числа частиц. Оконечные элементы устанавливались на место последними, поэтому в 2009 г. при посещении коллайдера я с такой легкостью рассматривала слоеный пирог внутреннего устройства детекторов.

Дополнительные детекторы на торцевых частях детекторного цилиндра установлены для того, чтобы экспериментаторы могли быть уверены: детектор регистрирует импульсы всех без исключения частиц. Их цель — замкнуть пространство экспериментальной установки, сделать его герметичным и не оставить нигде пропусков и неучтенных отверстий. Герметичные измерения гарантируют, что будут обнаружены даже не взаимодействовавшие или очень слабо взаимодействовавшие частицы. Если наблюдается «недостающий» поперечный импульс, это означает, что при столкновении должна была образоваться одна или несколько частиц, не вступающих в непосредственно обнаружимые взаимодействия. Подобные частицы обладают импульсом, и импульс, который они уносят с собой, сообщает экспериментаторам об их существовании.

РИС. 39. Компьютерное изображение детектора ATLAS. Показаны многочисленные слои и отдельно оконечные элементы. (Публикуется с разрешения CERN и ATLAS.)

Если нам известно, что детектор регистрирует и измеряет все поперечные импульсы — и при этом после столкновения создается впечатление, что импульс, направленный перпендикулярно пучку, не сохраняется, — это означает, что какието частицы остались незамеченными и унесли с собой часть импульса. Мы уже видели, что детекторы очень точно измеряют импульс в перпендикулярной плоскости. Калориметры в передней и задней областях обеспечивают герметичность и гарантируют, что незамеченной может остаться лишь очень малая часть энергии или импульса, перпендикулярных пучку.

Установка CMS имеет в своих торцевых областях стальные поглотители и кварцевые нити, которые еще плотнее и потому лучше разделяют направления движения частиц. Латунь в оконечных элементах — вторичное сырье; прежде она применялась в российских артиллерийских снарядах. В передней части установки ATLAS используются калориметры на жидком аргоне, способные регистрировать не только электроны и фотоны, но и адроны.

МАГНИТЫ

В обоих детекторах осталось еще несколько компонентов, которых имеет смысл описать подробнее, — это магниты. Магнит — не детекторный элемент в том смысле, что непосредственно он не регистрирует никаких характеристик частиц. Однако магниты необходимы для регистрации частиц; они помогают определить импульс и заряд, без которых невозможно распознать частицы и их треки. Магнитное поле отклоняет движущиеся заряженные частицы, поэтому их треки получаются изогнутыми, а не прямыми. Насколько сильно и в каком направлении они отклоняются, зависит от энергии и заряда каждой частицы.

Громадный соленоидный магнит CMS изготовлен на основе замороженной сверхпроводящей ниобиево–титановой катушки длиной 12,5 м и диаметром 6 м. Этот магнит (самый большой в мире магнит такого типа) — главная, определяющая деталь детектора. Витки проволоки в соленоиде намотаны на металлический сердечник и при пропускании тока генерируют магнитное поле. По заключенной в нем энергии этот магнит соответствует примерно полутонне взрывчатки. Само собой разумеется, на случай сбоя и внезапной потери сверхпроводимости приняты особые меры предосторожности. В сентябре 2006 г. было проведено успешное испытание соленоида с напряженностью поля 4 Тл, но на самом деле он будет работать с полем несколько меньшей напряженности — 3,8 Тл; инженеры надеются, что это увеличит срок службы устройства.

Соленоид достаточно велик, чтобы трекеры и калориметры можно было разместить внутри него. Мюонные детекторы, с другой стороны, располагаются снаружи, вдоль внешней поверхности детектора. При этом четыре внутренних слоя мюонного детектора вплетены в громадную железную конструкцию, которая окружает магнитную катушку; эта конструкция сдерживает и направляет магнитное поле, обеспечивая его однородность и стабильность. Конструкция длиной 21 м и диаметром 14 м простирается до полного семиметрового радиуса детектора. По существу, она тоже является частью мюонной системы — ведь по идее только мюоны из всех известных заряженных частиц способны преодолеть 10 000 т железа и пройти сквозь мюонные камеры. (На самом деле энергичные адроны тоже иногда проходят сквозь все это, доставляя экспериментаторам головную боль.) Магнитное поле ярма отклоняет мюоны во внешнем детекторе. Поскольку степень отклонения мюона в магнитном поле зависит от его импульса, ярмо необходимо для измерения импульсов и энергий этих частиц. Структурно стабильный громадный магнит играет и еще одну важную роль. Он является несущей конструкцией установки и защищает ее от гигантских сил, порожденных ее собственным магнитным полем.

Магнит детектора ATLAS сконфигурирован совершенно иначе. В этом детекторе используются магниты двух разных систем: соленоид на 2 Тл, окружающий систему трекеров, и громадные тороидальные магниты во внешней части детектора, слои которых перемежаются со слоями мюонных камер. Если взглянуть на фотографию ATLAS (или на саму установку), то самыми заметными элементами окажутся восемь громадных тороидальных структур (см. рис. 34) и два дополнительных тороида, прикрывающих концы цилиндра. Генерируемое ими магнитное поле тянется на 26 м вдоль оси пучка и на 11 м от начала мюонного спектрометра в радиальном направлении.

При посещении ATLAS мне рассказывали, что в момент установки на место эти магниты были овальными (если смотреть сбоку). Инженеры учли фактор гравитации и верно рассчитали, что через некоторое время после установки тороиды под действием собственного веса станут более круглыми.

Сильное впечатление на меня произвела еще одна история. Оказывается, инженеры ATLAS учли крохотное поднятие пола тоннеля примерно на 1 мм в год за счет гидростатического давления породы, связанного с образованием в ней полости. Они рассчитали установку таким образом, чтобы это крохотное движение привело ее в оптимальное положение в 2010 г., когда намечался первый пуск коллайдера на полную мощность. Изза всевозможных задержек получилось не так, однако к настоящему моменту грунт под установкой перестал двигаться, и теперь она до конца эксплуатации останется в правильном положении. Несмотря на сентенцию бейсболиста и философа Йоги Берра о том, что «предсказывать трудно, особенно будущее», инженеры ATLAS сделали все верно.

РАСЧЕТЫ

Ни одно описание БАКа не может быть полным без разговора о его громадных вычислительных мощностях. Помимо замечательных технических решений, в результате которых были созданы трекеры, калориметры, мюонные системы и магниты и которые мы только что обсудили, можно говорить о том, что для обработки ошеломляющего количества данных, порождаемого многочисленными столкновениями, необходимы тщательно скоординированные и организованные вычисления, которые проводятся одновременно по всему миру.

Тот факт, что БАК работает с в 7 раз более высокими энергиями, чем тэватрон (прежний рекордсмен по энергии столкновений), — это еще не все. События в нем происходят в 50 раз чаще. БАК должен справляться с данными (по существу, с картинками очень высокого разрешения) о событиях, которые происходят с частотой примерно до миллиарда столкновений в секунду, причем «картинка» каждого события содержит около мегабайта информации.

С таким объемом данных не могла бы справиться ни одна вычислительная система. Поэтому специальные триггерные системы «на лету» принимают решения о том, какую информацию следует сохранить, а от какой можно избавиться. Разумеется, львиную долю составляют совершенно обычные столкновения протонов с участием сильного взаимодействия. Большая часть этих столкновений никому не интересна, потому что они представляют хорошо известные физические процессы и не дают ничего нового.

Столкновение протонов в какомто смысле напоминает столкновение двух мешочков с горохом. Эти мешочки мягкие, поэтому большую часть времени они мотаются из стороны в сторону, сжимаются и не делают во время столкновения ничего интересного. Но иногда при «стыковке» мешочков отдельные горошины сталкиваются друг с другом лоб в лоб с огромной силой — иногда настолько большой, что мешочки лопаются. В этом случае отдельные столкнувшиеся горошины с силой разлетаются во все стороны, потому что они твердые и энергия их столкновений более локализована, а остальные горошины продолжают лететь дальше в том же направлении.

Точно так же при столкновении протонов в пучке отдельные их составляющие могут столкнуться друг с другом и породить интересное явление, тогда как остальные объекты продолжат свой полет по трубке в прежнем направлении.

Однако в отличие от столкновения горошин, при котором они просто меняют направление полета, столкновение протонов проходит иначе. Их составные части — кварки, антикварки и глюоны — сталкиваются между собой; при этом первоначальные частицы могут превратиться в энергию или породить другие типы вещества. И если на более низких энергиях в столкновениях принимают участие в первую очередь три валентных кварка, несущие на себе заряд протона, то на более высоких энергиях виртуальные квантово–механичесие эффекты порождает значительное количество глюонов и антикварков, как мы уже видели в главе 6. Ученым интересны те столкновения, в которых участвует хоть чтонибудь из этих виртуальных составляющих протона.

В энергичном протоне высокой энергией обладает не только он сам, но и все содержащиеся внутри кварки, антикварки и глюоны. Тем не менее их энергия никогда не равняется полной энергии протона, а составляет, как правило, лишь небольшую ее долю. Поэтому чаще всего в столкновениях кварков и глюонов задействуется слишком малая часть энергии протона, и тяжелые частицы не рождаются. Возможно, изза невысокой силы взаимодействия или недостаточной для новых частиц массы интересные столкновения с участием невиданных доселе частиц или сил случаются гораздо реже, чем «скучные» столкновения в рамках Стандартной модели.

Как и в случае с мешочками, большинство столкновений не вызывают особого интереса. В них протоны либо всего лишь слегка касаются друг друга, либо сталкиваются, порождая обычные события Стандартной модели, о которых нам уже известно и которые не в состоянии научить нас ничему новому. С другой стороны, прогнозы говорят о том, что примерно одно столкновение из миллиарда в БАКе может оказаться интересным и породить какуюнибудь новую частицу, такую, например, как бозон Хиггса.

Итак, суть дела сводится к тому, что скольконибудь интересные события происходят лишь в короткие удачные промежутки времени. Теперь ясно, почему нам нужно так много столкновений и почему нам важна так называемая светимость коллайдера. Лишь небольшая доля происходящих в нем событий оказывается необычной и несет в себе новую информацию.

Выделить потенциально интересные события из общей массы — задача триггеров; триггерами называют аппаратные и программные средства, специально предназначенные для распознавания таких событий. Чтобы хотя бы приблизительно осознать тяжесть этой задачи, представьте, что у вас есть 150–мегапиксельная фотокамера (именно такое количество информации БАК получает с одного столкновения протонных сгустков), способная делать 40 млн снимков в секунду (с такой частотой идут столкновения сгустков). Учтем, что при каждом столкновении сгустков происходит 20-25 событий, и полним результат — около миллиарда физических событий в секунду. Триггер — аналог механизма, который будет оставлять для вас лишь интересные и удачные снимки. Триггеры можно сравнить также с антиспамовыми фильтрами. Их задача — сделать так, чтобы на компьютеры экспериментаторов попадали только интересные данные.

Триггеры должны распознать потенциально интересные столкновения и отбросить те, которые не несут никакой новой информации. Сами события — то, что покидает зону взаимодействия и регистрируется детекторами — должны отличаться от обычных процессов Стандартной модели. Чтобы выделить и сохранить интересные события, необходимо знать, как они должны выглядеть. Перед триггерами стоит невероятно сложная задача. Они должны проредить пресловутый миллиард событий в секунду и оставить из него лишь несколько сотен событий, каждое из которых может оказаться интересным.

Эту задачу выполняет комбинация аппаратных и программных фильтров. Каждый триггер из последовательной цепочки отвергает большую часть поступающих на него событий как неинтересные, оставляя лишь небольшую их часть, справиться с которой уже намного легче. Эти данные, в свою очередь, анализируются компьютерными системами в 160 академических институтах по всему миру.

Триггер первого уровня — это встроенное в детекторы аппаратное устройство, на которое ложится львиная доля работы по распознаванию характерных признаков потенциально интересного события; он отбирает, к примеру, все события, в результате которых рождаются энергичные мюоны или в калориметрах выделяется заметная энергия в поперечном направлении. Несколько микросекунд до срабатывания первого триггера вся полученная от столкновения сгустков энергия хранится в буфере. Триггеры более высоких уровней представляют собой специальные программы; алгоритмы отбора действуют на большом компьютерном кластере, расположенном рядом с соответствующим детектором. Триггер первого уровня снижает число событий примерно в 10 000 раз: из миллиарда событий в секунду остается около 100 000. Программные триггеры снижают это количество еще примерно в тысячу раз, оставляя всего лишь несколько сотен потенциально интересных событий.

Каждое событие, проходящее через фильтр триггера, несет в себе громадное количество данных—те самые показания детекторных элементов, о которых мы говорили; на одно событие приходится больше мегабайта информации. При нескольких сотнях потенциально интересных событий в секунду экспериментальная установка каждую секунду занимает более 100 Мбайт дискового пространства; в год набирается более одного петабайта — 10¹⁵ байт, или один квадриллион байт (часто ли вам приходится пользоваться такими цифрами?); это эквивалентно нескольким сотням тысяч DVD–дисков с информацией.

Тим Бернерс–Ли, придумывая Всемирную паутину, думал о громадных объемах данных CERN и о том, что экспериментаторы всего мира должны обмениваться информацией в реальном времени. Вычислительная грид–система проекта БАКа — следующий серьезный шаг Центра на пути организации научных вычислений. Эта «решетка», запущенная в конце 2008 г. после разработки большого количества специальных компьютерных программ, призвана помочь экспериментаторам разобраться с огромными объемами получаемых данных и облегчить их обработку. Грид-система использует в своей структуре как частные оптоволоконные кабели, так и высокоскоростные участки общедоступного Интернета. Решеткой (Grid) она называется потому, что данные в ней не привязаны к одному–единственному серверу, а распределены по компьютерам по всему миру — примерно так же, как электроснабжение большого города не привязано к одной конкретной электростанции.

Информация о событиях, прошедших через триггерные фильтры, сначала закладывается на хранение, а затем распределяется по решетке по всему земному шару. Через решетку компьютерные сети в разных концах света получают свободный доступ к записанной в нескольких копиях информации. Если Всемирная паутина предназначена для распространения информации, то решетка помогает распределить вычислительные мощности и массивы данных между множеством компьютеров, принимающих участие в проекте.

Вычислительные центры грид–системы распределены по уровням, или ярусам. Нулевой уровень — это вычислительный центр CERN, где данные записываются и преобразуются из первоначальной формы в другую, более подходящую для физического анализа. Далее информация расходится по каналам с высокой пропускной способностью в десятки крупных национальных вычислительных центров, составляющих уровень 1. Аналитические группы при желании могут получить доступ к этим данным. При помощи оптиковолоконных кабелей уровень 1 соединяется примерно с пятьюдесятью аналитическими центрами уровня 2. Эти вычислительные центры располагаются в университетах и обладают достаточными вычислительными мощностями, чтобы моделировать физические процессы и проводить специфический анализ.

Наконец, любая университетская группа может участвовать в реализации анализа на уровне 3, где, собственно, и извлекается большая часть реальной физической информации. На этом этапе экспериментаторы в любой точке земного шара могут тщательнейшим образом перерыть все данные и выяснить, не расскажут ли столкновения энергичных протонов чтонибудь новое, и интересное. Но, чтобы увидеть, новое это или нет, необходимо выполнить первую задачу эксперимента — понять, что именно произошло. Об этом мы и поговорим в следующей главе.