Fizikos ateitis

Ką reiškia perėjimas nuo elektronvoltų prie teraenergijų pasaulio? Tai lyg kelionė per tą pačią karalystę sudarančias skirtingas žemes: nuo chemijos ir kietojo kūno elektronikos (elektronvoltai) iki branduolinių reakcijų (milijonai elektronvoltų) ir jau pusę amžiaus tyrinėjamos elementariųjų dalelių fizikos (milijardai elektronvoltų).

Kas mūsų laukia peržengus šias ribas? To nežino niekas.

Tačiau neabejojama, kad pavyks aptikti kažką visiškai nauja ir dar neregėta. Mokslininkai drąsiai užsimena apie papildomas dimensijas. Ką jau kalbėti apie didžiules viltis, kurios dedamos į ilgai ieškotas daleles, padėsiančias perprasti medžiagos prigimtį.

Nors didžioji darbo dalis padaryta ir dabar reikia šiek tiek lukterėti iki LHC paleidimo, sėdėti ramiai sudėjus rankas neišeina. Fizikų galvose jau sukasi planai po dešimtmečio turėti kitą įrenginį, kuriuo bus galima patikslinti gautus rezultatus.

Pasiekę teraenergijų pasaulį ir galbūt nuėję net toliau, kur nebėra nieko elementaresnio, pagaliau išsiaiškinsime, iš ko esame sudaryti ir kaip visa tai veikia. Mūsų pažinimo žiedą papildys trūkstama dalelė.

Atradimų mašina

Tarptautinė mokslininkų komanda ruošiasi atlikti iki šiol neregėtų dalelių fizikos eksperimentų.

Kai praėjusį rudenį nutariau pats savo akimis pamatyti, kas čia jau nuveikta, kiekvienas žmogus, su kuriuo teko bendrauti, spinduliavo tikėjimu galutine sėkme, nepaisydami nuolatinio atsilikimo nuo numatyto darbų grafiko. Dalelių fizikos bendruomenė laukia nesulaukia pirmųjų rezultatų iš LHC. Kai kalba pasisuka apie LHC perspektyvas pradėti „fizikos aukso amžių“, Frankas Vilčekas (Frank Wilczek) iš Masačusetso technologijos instituto pasiduoda tai pačiai vyraujančiai nuotaikai.

Lygių neturinti mašina

Įžengti į teraenergijų pasaulį nėra taip paprasta, todėl teko gerokai paplušėti, kad LHC pagrindiniais parametrais pralenktų jau veikiančius analogiškus įrenginius. Labiausiai dėmesį traukia protonų pluoštų energijos – jos tapo kur kas didesnės. Beveik 7 tūkst. magnetų, skystu heliu atšaldyti iki žemesnės negu 2 K temperatūros (dėl superlaidumo), fokusuos ir valdys du protonų pluoštus, skriejančius praktiškai šviesos greičiu. Kiekvienas protonas turės apie 7 TeV energijos – 7 tūkst. kartų daugiau, nei jos gautume iš žymiojo Einšteino energijos ir masės sąryšio E = mc2, protonui esant rimties būsenos. Šis rezultatas apytikriai septynis kartus pralenks dabartinį rekordą, priklausantį Fermi nacionalinės greitintuvų laboratorijos Tevatrono priešpriešinių srautų greitintuvui, esančiam Batavijoje, Ilinojaus valstijoje. Svarbu paminėti, kad LHC sukuriamų pluoštų intensyvumas, arba skaistis, 40 kartų viršys Tevatrono pluoštų intensyvumą. Kai LHC dirbs maksimaliu pajėgumu, visų jame skriejančių dalelių energija prilygs maždaug 900 automobilių kinetinei energijai, kai šie rieda 100 kilometrų per valandą greičiu. Arba – dalelių energijos užteks išvirti beveik 2 tūkst. litrų skanios kavos.

Duomenims, plūstantiems beveik 100 mln. kanalų, per sekundę išsaugoti reikėtų 100 tūkst. kompaktinių diskų. Vos per šešis mėnesius šiais kompaktiniais diskais, tvarkingai dedamais į krūvelę, pasiektume Mėnulį. Dar derėtų pridurti, kad kol kas šnekame apie duomenis tik iš dviejų didžiausių detektorių. Idant netektų dangintis į Mėnulį, eksperimento metu bus naudojami trigeriai ir duomenų kaupimo sistemos. Jų veikimas primena nepageidaujamų elektroninio pašto žinučių filtrus – iš karto atmetama beveik visa nenaudinga informacija, apsiribojama tik duomenimis iš daugiausia žadančių 100 įvykių. Šie duomenys kas sekundę siunčiami į LHC centrinę duomenų apdorojimo sistemą, esančią Europos branduolinių mokslinių tyrimų organizacijos (CERN) laboratorijoje. Čia jie archyvuojami, o vėliau nagrinėjami.

LHC greitintuvas bus valdomas iš vieno CERN kontrolės centro skyriaus. Detektorių valdymo patalpos yra įrengtos atskirai.

CERN laboratorijoje kelių tūkstančių kompiuterių grupė išfiltruotus, bet dar neapdorotus duomenis suskaidys į kompaktiškesnius rinkinius. Jų analizė atliekama skaičiavimų tinklais, kuriuos sudaro dešimtys tūkstančių skirtinguose pasaulio kampeliuose esančių ir įvairiems institutams priklausančių kompiuterių. Visi jie sujungti į vieną keliolikos pagrindinių centrų sistemą. Pagrindiniai centrai yra paskirstyti po tris žemynus, o CERN laboratorija su kiekvienu iš jų sujungta optiniais kabeliais.

Tūkstantis žingsnelių iki tikslo

Artimiausiu metu pagrindinis dėmesys bus sutelktas į greitintuvą. Lapkričio pradžioje buvo pagamintos paskutinės gretimų žiedo magnetų jungtys, o truputį vėliau vieną iš aštuonių sektorių pasisekė atšaldyti beveik iki reikiamos temperatūros. Nedelsdami mokslininkai iš karto pradėjo šaldyti antrąjį. Prieš kelis mėnesius yra pavykę vieną sektorių atšaldyti, įjungti ir vėl atšildyti iki kambario temperatūros. Pirmiausia reikės patikrinti kiekvieną sektorių atskirai, o tada pereiti prie bendros jų sistemos. Galiausiai viename iš dviejų vamzdžių, kuriais dalelės skries visus 27 greitintuvo kilometrus, atsidurs protonų pluoštas.

2007 m. teko remontuoti magnetus, kai atliekant bandymus rasta jų konstrukcijos defektų.

Mažesni greitintuvai, aprūpinsiantys pagrindinį LHC žiedą protonų pluoštu, jau patikrinti. Bandymo metu protonams buvo suteiktos 0,45 TeV energijos ir nepastebėta nieko, kas galėtų sukliudyti jiems peržengti LHC slenkstį. Atsakingiausia bandymų dalis – pirmojo pluošto įleidimas į pagrindinį LHC žiedą. Mokslininkai iš pradžių apsiribos mažu pluošto intensyvumu, siekdami sumažinti pavojų sugadinti greitintuvo įrangą. Tik kai bus kruopščiai įvertinta ši bandomoji protonų kelionė ir galutinai sureguliuoti valdomieji magnetiniai laukai, mokslininkai ryšis padidinti pluošto intensyvumą. Atliekant pirmąjį bandymą su maksimalia 7 TeV energija, kiekviena kryptimi bus leista skrieti vos vienam protonų telkiniui iš 3 tūkst. numatytųjų.

Beveik neabejojama, kad taip žingsnelis po žingsnelio bandant greitintuvą, nesklandumų vis dėlto nepavyks išvengti. Labiausiai nerimą kelia klausimas, kiek laiko inžinieriai ir mokslininkai užtruks spręsdami atsiradusius sunkumus. Jeigu remontuojamą sektorių tektų atšildyti iki kambario temperatūros, tada sugaištas laikas būtų skaičiuojamas ne dienomis, o mėnesiais.

Keturi detektoriai – ATLAS, ALICE, CMS ir LHCb – dar laukia ilgai trunkančių montavimo darbų pabaigos, be to, tai reikia suspėti padaryti iki protonų pluošto paleidimo. Kadangi studijuodamas universitete labiau buvau linkęs į teorinę nei eksperimentinę fiziką, turiu pripažinti, kad mane pribloškė čia išvysta kabelių raizgalynė. Prasidėjus eksperimentui, tūkstančiais jų bus perduodami iš detektorių plūstantys duomenų srautai. Kiekvienas kabelis atskirai paženklintas ir atidžiai priskirtas prie reikalingo lizdo. Šia daug kantrybės reikalaujančia veikla užsiima čia dirbantys studentai.

Nors LHC greitintuve atliekamų eksperimentų dar teks šiek tiek palūkėti, kai kurie studentai ir podoktorantai jau susiduria su realiais duomenimis. Dėl to kalti kosminiai spinduliai, kartkartėmis kiaurai perveriantys greitintuvą slepiančias uolas ir įaudrinantys detektorius. Iš kitos pusės, tai galima priimti kaip rimtą visos įrangos – nuo atskirų detektoriaus elementų maitinimo iki nuskaitymo sistemos elektronikos ir duomenų kaupimo programinės įrangos, pateiksiančios aiškų, iš milijono atskirų signalų susidedančio, įvykio vaizdą – patikrinimą.

Viskas viename žiede

Didįjį hadronų priešpriešinių srautų greitintuvą galite įsivaizduoti kaip automobilį, iš kurio išimtas akumuliatorius. Norint pasiekti kelionės tikslą, Jums teks įkinkyti arklį. Šis iš pradžių gerokai truktels automobilį, o Jūs jį užvesite ir nurūksite į priekį. LHC atveju darbinio arklio vaidmenį atliks protonų ir super protonų sinchrotronai, sėkmingai greitinantys daleles jau kelis dešimtmečius. Jų pasiekiamą protonų energijos ribą – 99,99975 proc. šviesos greičio – LHC padidins beveik 16 kartų. Tuomet protonų telkiniai 10 valandų turės suktis didžiajame žiede, per sekundę susidurdami 30 mln. kartų. Tai kaip reikiant apkraus keturis pagrindinius detektorius: kalbame apie daugiau nei 100 terabaitų duomenų per sekundę.

Schemoje skaičiukais pažymėta:

1 - LHC greitintuvas. Beveik 7 tūkst. superlaidžių magnetų tunelyje valdo protonų pluoštus ir užtikrina, kad jie bus sufokusuoti itin tiksliai. Čia pat 1989-2000 m. veikė Didysis elektronų ir pozitronų priešpriešinių srautų greitintuvas (LEP).

2 - CMS. Kompatiškasis miuonų solenoidas (angl. Compact Muon Solenoid) yra vienas iš dviejų didžiulių bendrosios paskirties detektorių. Šie detektoriai vaidins svarbiausią vaidmenį ieškant Higso dalelių ir kitų naujų reiškinių. CMS sudaro penki žiedai (vienas iš jų nuotraukoje) su abiejų pusių gaubtuvais.

3 - LHCb. Šiuo detektoriumi bus bandoma aptikti žemiausius kvarkus ir antikvarkus. Manoma, kad jie gali padėti atskleisti tamsiosios medžiagos susidarymo paslaptį. LHCb fiksuos duomenis tik iš vienos susidūrimo taško pusės.

4 - ATLAS. Toroidinis LHC aparatas (angl. A Toroidal LHC Apparatus) yra antrasis bendrosios paskirties detektorius, kuriame įprastinį solenoidą pakeitė toroidiniai magnetai. "Didieji ratai" (dešinėje) aptiks svarbiausias daleles – miuonus.

5 - ALICE. Didysis jonų susidūrimų eksperimento detektorius (angl. A Large Ion Collider Experiment ) skirtas tyrinėti švino (Pb) jonų susidūrimams, kurių metu susidaro kvarkų ir gliuonų plazma (t. y. sąlygos, artimos toms, kurios susidarė iškart po Didžiojo Sprogimo). Šių tyrimų gaires tikimasi nustatyti iš protonų susidūrimų eksperimento rezultatų.

Ir visi kartu

Kai pagaliau viskas bus parengta ir spustelėjus vieną mygtuką eksperimentas prasidės, čia užvirs tikra košė. Darbą, kurį turės atlikti detektoriai ir duomenų apdorojimo sistemos, galime prilyginti Heraklio žygiams. Pasiekus didžiausią numatytą pluoštų intensyvumą, kiekvienąkart susidūrus protonų telkiniams turėtų būti užregistruota apie 20 įvykių. Telkinių susidūrimus skirs vos 25 nanosekundės (kai kuriuos truputį daugiau).

Aukštesnės pakopos trigeris LHC skaičiavimų tinklams per sekundę vidutiniškai perduos 100 įvykių duomenis. Skaičiavimo tinklų sistema, jungianti skaičiavimo centrus, leis prie duomenų apdorojimo prisidėti vartotojams iš projekte dalyvaujančių institutų (žr. The Grid: Computing without Bounds, Ian Foster, Scientific American, 2003 balandis).

LHC skaičiavimų tinklas taip pat sudarytas iš pakopų. Nulinės pakopos (angl. Tier 0) centrą galime rasti pačioje CERN laboratorijoje, jos pagrindą sudaro tūkstančiai kompiuterių procesorių, esančių įprastiniuose asmeniniuose kompiuteriuose bei Blade tipo sistemose. Pastarosios primena juodas picų dėžutes, tvarkingai sudėtas į lentynas (žr. žemiau esančią iliustraciją). Kompiuterių komplektacija dar nebaigta. Jų kiekis vis didinamas, tačiau apdairiai ieškoma geriausio spartos ir kainos varianto – nesusigundoma rinkoje pasirodančiais naujausiais ir galingiausiais modeliais.

CERN laboratorijoje sujungti tūkstančiai procesorių tam, kad pakaktų skaičiavimo galios apdoroti iš eksperimentų atkeliaujantiems duomenims.

Duomenys, perduodami iš keturių LHC detektorių duomenų kaupimo sistemų į skaičiavimo tinklo nulinės pakopos centrą, bus archyvuojami magnetinėje juostoje. Šiais DVD-RAM laikmenų ir atmintinukų laikais magnetinė juosta atrodo kaip technologinė atgyvena, arba mažų mažiausiai – senamadiška. Tačiau Fransua Grėjus (François Grey) iš CERN skaičiavimo centro užtikrina, kad ši sistema pasižymi geriausiu saugumo ir kainos santykiu.

Nulinės pakopos centre duomenys bus paskirstyti 12 pirmosios pakopos (angl. Tier 1) centrų, kurių viena dalis yra pačioje CERN laboratorijoje, o kita išdėstyta po 11 kitų svarbiausių institutų JAV, Kanadoje, Europos ir Azijos valstybėse. Taigi egzistuos dvi neapdorotų duomenų kopijos: viena CERN laboratorijoje, o kita dalimis išbarstyta po visą pasaulį. Kiekviename pirmosios pakopos centre duomenys bus taip pat suarchyvuoti į kompaktišką rinkinį, kad fizikai juos galėtų nagrinėti.

Į LHC skaičiavimų tinklą įtraukta ir antroji pakopa (angl. Tier 2) – kur kas mažesni skaičiavimo centrai, veikiantys universitetuose ir institutuose. Šių centrų kompiuteriniai ištekliai taip pat pagelbės analizuoti gautus duomenis.

Duobėtas kelias

Atsižvelgiant į visas novatoriškas technologijas, panaudotas kuriant LHC, nenuostabu, kad per visą šį laiką mokslininkams buvo iškilę įvairiausių kliūčių. Praėjusį kovą vadinamasis kvadrupolinis magnetas, reikalingas protonų pluoštui fokusuoti, kai šis jau būna priešais pat susidūrimo tašką, neišlaikė svarbaus bandymo. Bandymo esmė – patikrinti, ar magnetas atsilaikytų prieš stiprias jėgas, kurios galėtų susidaryti, tarkim, jeigu magneto ritės, atliekant eksperimentus su pluoštais, staiga prarastų savo superlaidumo savybę (angl. quenching; reiškinys, kai mažytis temperatūros padidėjimas sukelia staigų superlaidininko temperatūros augimą – vert. past.). Dalis magnetą laikančių atramų bandymo metu sugriuvo, pasigirdo sprogimą primenantis garsas ir pasklido helio dujos (Beje, kai darbininkai arba besisvečiuojantys žurnalistai žengia į tunelį, saugumo sumetimais jiems privaloma su savimi neštis mažus kvėpavimo aparatus).

Šie magnetai iš karto montuojami po tris. Pirmiausia protonų pluoštas suspaudžiamas iš šonų (horizantalia kryptimi), tada vertikalia kryptimi, galiausiai vėl iš šonų. Tokia seka užtikrina efektyvų pluošto fokusavimą. LHC iš viso panaudoti 24 magnetai – po trejetą kiekvienoje keturių sąveikos taškų pusėje. Iš pradžių LHC mokslininkai nežinojo, ar tobulinant reikės išmontuoti ir iškelti į žemės paviršių visus 24 magnetus. Tokiai procedūrai būtų sugaištos dar kelios savaitės. Dėl kilusios problemos visą kaltę turėjo prisiimti Fermi laboratorijos mokslininkai, nes projektuodami magnetus neatsižvelgė į visas galinčias susidaryti jėgas. CERN ir Fermi laboratorijos tyrėjams teko iš peties padirbėti, kol buvo rastos klaidos ir sugalvota, kaip patobulinti nesugadintus magnetus greitintuvo tunelyje (sugadintąjį trejetą visgi teko iškelti).

Birželį CERN laboratorijos generalinis direktorius Robertas Aimaras (Robert Aymar) paskelbė, kad dėl magneto gedimo bei kitų nedidelių problemų tenka nukelti numatytą greitintuvo paleidimą iš 2007 m. lapkričio į šių metų pavasarį. Siekiant neatsilikti nuo grafiko ir jau liepą pradėti darbuotis mokslo labui, nutarta pluošto energiją greitintuve didinti spartesniu tempu.

Nepamirškite paso!
LHC projektas – tikro tarptautinio bendradarbiavimo pavyzdys. Čia dirba mokslininkų, susirinkusių iš įvairiausių pasaulio kraštų, komanda. Projekte dalyvauja 20 CERN valstybių narių iš Europos, šešios valstybės turi stebėtojų teises (pavyzdžiui, JAV, Japonija, Rusija). Prie projekto svariai prisideda Kanada, Kinija ir kitos šalys.

Nors kai kurie su detektoriais dirbantys žmonės man prasitarė, kad būtų smagu turėti kiek daugiau laiko, vis dėlto nuolat atidėliojama greitintuvo paleidimo data čia taip pat svarbi. Kuo ilgiau teks laukti pirmųjų duomenų srautų iš LHC, tuo didesnė tikimybė, kad laurus gali nuskinti mokslininkai, šiuo metu aktyviai dirbantys su Tevatrono greitintuvu. Tevatrono greitintuve būtų įmanoma aptikti Higso bozonų egzistavimo įrodymų arba ką nors lygiai tiek pat sensacingo, jeigu gamta iškrėstų pokštą – bozonams suteiktų gana mažai masės. Tada įsitikinti jo egzistavimu užtektų išanalizuoti tam tikrą į Fermi laboratoriją atkeliaujančių duomenų kiekį.

Nuolatinis greitintuvo darbų stabdymas kelia galvos skausmą ir studentams bei mokslininkams, kurie belaukdami duomenų yra priversti atidėlioti savo karjeros planus.
Dar viena rimtesnė problema į dienos šviesą iškilo rugsėjį. Inžinieriai atkreipė dėmesį, kad pluoštų vamzdžiuose esantys įstatomi variniai moduliai susilamdė po to, kai greitintuvo sektorius buvo atšaldytas iki reikiamos temperatūros, o paskui vėl atšildytas.

Iš pradžių niekas nenutuokė, kokio masto nesklandumas iškilo. Šaldomame sektoriuje iš viso yra 366 įstatomieji moduliai, todėl vien mintis apie kiekvieno iš jų atidarymą patikrinti ir galbūt reikalingą remontą vertė griebtis už galvos. Kiek atsitokėję mokslininkai sugalvojo paprastą, bet efektyvų problemos sprendimo būdą. Prireikė maždaug stalo teniso dydžio kamuoliuko. Iš vienos pusės, jis turėjo būti toks mažas, kad tilptų į pluošto vamzdį ir jį būtų galima priversti judėti suslėgtu oru. Iš kitos pusės, kamuoliukas turėjo būti gana didelis, kad užkliūtų už deformuoto modulio ir toje vietoje sustotų. Jo viduje buvo įtaisytas radijo siųstuvas, veikiantis 40 megahercų dažniu. Toks veikimo dažnis parinktas neatsitiktinai, nes lygiai tokiu pačiu dažniu šiuo vamzdžiu skries protonų telkiniai, kai greitintuvas veiks visu pajėgumu. Taigi kamuoliuko judėjimo kelią buvo galima stebėti jutikliais, kurie išdėstyti kas 50 metrų. Atlikę šią procedūrą mokslininkai lengviau atsikvėpė, nes paaiškėjo, kad pažeisti viso labo tik šeši sektoriaus moduliai. Juos atidaryti ir sutaisyti – jau įgyvendinamas uždavinys.

Kai lapkritį buvo pagamintos paskutinės protonus greitinsiančių magnetų jungtys, greitintuvo žiedas pagaliau tapo vientisas ir nebeliko kliūčių pradėti šaldyti visus sektorius. Tada projekto vadovas pareiškė: „Turint galvoje, kokio sudėtingumo ši mašina, mums einasi tikrai neblogai, todėl ateinančią vasarą nekantraujame kaip reikiant padirbėti su LHC".

Apie LHC mūsų portale yra publikuotas dar vienas straipsnis, tiesa jis labiau bendrinis ir skirtas tik pirmajai pažinčiai su šiuo įspūdingu projektu.

Jei norite pasidomėti plačiau

• The Large Hadron Collider. Chris Llewellyn Smith in Scientific American, Vol. 283, No. 1; pages 70–77; July 2000.
• Discovering the Quantum Universe.
  www.interactions.org/ quantumuniverse/qu2006
• http://public.web.cern.ch/public
• http://lhc.web.cern.ch/lhc/
  LHC_Experiments.htm
• Monica Dunford, Pamela Klabbers, Steve Nahn, Peter Steinberg.
  www.uslhc.us/blogs 
• http://lhc.web.cern.ch/lhc

Straipsnio tekstinė ir vaizdinė medžiaga priklauso "Scientific American lietuviškas leidimas" žurnalui ir be redakcijos sutikimo draudžiama kopijuoti ar kitaip atgaminti straipsnyje panaudotą informaciją.