Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

РАСЧЕТЫ

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 каком?то 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–механические эффекты порождает значительное количество глюонов и антикварков, как мы уже видели в главе 6. Ученым интересны те столкновения, в которых участвует хоть что?нибудь 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, из?за 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 какую?нибудь новую частицу, такую, например, как бозон Хиггса.

Итак, суть дела сводится к тому, что сколько?нибудь 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 что?нибудь 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.