Большой адронный коллайдер случайно выбросил свидетельство новой физики?
На Большом адронном коллайдере протоны одновременно кружатся по часовой стрелке и против часовой стрелки, врезаясь друг в друга, двигаясь со скоростью 99.9999991% скорости света за штуку. В двух конкретных точках, рассчитанных на наибольшее количество столкновений, были построены и установлены детекторы огромных частиц: детекторы CMS и ATLAS. После миллиардов и миллиардов столкновений с этими огромными энергиями, БАК привел нас к дальнейшей охоте на фундаментальную природу Вселенной и наше понимание элементарных строительных блоков материи.
Ранее в этом месяце LHC отпраздновал 10-летие работы, и открытие бозона Хиггса ознаменовало его коронное достижение. Тем не менее, несмотря на эти успехи, никаких новых частиц, взаимодействий, распадов или фундаментальной физики обнаружено не было. Хуже всего это: большая часть данных ЦЕРН с LHC была отброшена навсегда.
Это одна из наименее понятных частей головоломки физики высоких энергий, по крайней мере, среди широкой публики. LHC не только потерял большую часть своих данных: он потерял колоссальные 99,997%. Вот так; из каждого миллиона столкновений, происходящих на LHC, только около 30 из них имеют все свои данные, записанные и записанные.
Это то, что произошло из-за необходимости, из-за ограничений, наложенных самими законами природы, а также из-за того, что технологии могут делать в настоящее время. Но при принятии этого решения существует огромный страх, сделанный тем более ощутимым, потому что, кроме долгожданного Хиггса, ничего нового не было обнаружено. Страх состоит в том, что существует новая физика, ожидающая открытия, но мы упустили ее, выбросив эти данные.
На самом деле у нас не было выбора. Что-то должно было быть выброшено. Работа LHC заключается в ускорении протонов как можно ближе к скорости света в противоположных направлениях и их объединении. Именно так ускорители частиц работали лучше всего на протяжении поколений. Согласно Эйнштейну, энергия частицы — это сочетание массы покоя (которую вы можете распознать как E = mc 2 ) и энергии ее движения, также известной как ее кинетическая энергия. Чем быстрее вы идете — или точнее, чем ближе вы приближаетесь к скорости света — тем выше вы можете достичь энергии на частицу.
На LHC мы сталкиваемся вместе с протонами на скорости 299 792 455 м / с, всего в 3 м / с, стесняясь самой скорости света. Разбивая их вместе на таких высоких скоростях, двигаясь в противоположных направлениях, мы даем возможность существовать иным образом невозможным частицам.
Причина в том, что все частицы (и античастицы), которые мы можем создать, имеют определенное количество энергии, присущее им, в форме их массы в покое. Когда вы разбиваете две частицы вместе, часть этой энергии должна уходить в отдельные компоненты этих частиц, как их энергию покоя, так и их кинетическую энергию (то есть их энергию движения).
Но если у вас достаточно энергии, часть этой энергии также может пойти на производство новых частиц! Вот где E = mc 2 становится действительно интересным: не только все частицы с массой ( m ) имеют энергию ( E ), присущую их существованию, но если у вас достаточно доступной энергии, вы можете создавать новые частицы. На LHC человечество достигло столкновений с большей доступной энергией для создания новых частиц, чем в любой другой лаборатории в истории.
Энергия на частицу составляет около 7 ТэВ, что означает, что каждый протон достигает примерно в 7000 раз больше энергии покоя в форме кинетической энергии. Но столкновения редки, и протоны не просто крошечные, они в основном пустые места. Для того, чтобы получить большую вероятность столкновения, вам нужно вводить более одного протона за раз; вместо этого вы вводите свои протоны в пучки.
При полной интенсивности это означает, что внутри LHC всегда много маленьких пучков протонов, движущихся по часовой стрелке и против часовой стрелки, когда он работает. Туннели LHC имеют длину около 26 километров, и только 7,5 метра (или около 25 футов) разделяют каждую связку. По мере того как эти пучки пучков вращаются, они сжимаются при взаимодействии в средней точке каждого детектора. Каждые 25 наносекунд есть вероятность столкновения.
У вас есть небольшое количество столкновений и записываете каждое? Это пустая трата энергии и потенциальных данных.
Вместо этого вы накачиваете достаточно протонов в каждую связку, чтобы обеспечить хорошее столкновение каждый раз, когда проходят две связки. И каждый раз, когда вы сталкиваетесь, частицы проникают через детектор во всех направлениях, вызывая сложную электронику и схемы, которые позволяют нам восстановить то, что было создано, когда и где в детекторе. Это похоже на гигантский взрыв, и только измеряя все куски осколков, которые выходят, мы можем восстановить то, что произошло (и какие новые вещи были созданы) в точке воспламенения.
Проблема, которая возникает тогда, однако, заключается в том, чтобы взять все эти данные и записать их. Сами детекторы большие: 22 метра для CMS и 46 метров длиной для ATLAS. В любой момент времени существуют частицы, возникающие в результате трех разных столкновений в CMS и шести отдельных столкновений в ATLAS. Для записи данных необходимо выполнить два шага:
- Данные должны быть перемещены в память детектора, которая ограничена скоростью вашей электроники. Несмотря на то, что электрические сигналы распространяются почти со скоростью света, мы можем «помнить» только о столкновениях 1 на 500.
- Данные в памяти должны быть записаны на диск (или другое постоянное устройство), и это гораздо более медленный процесс, чем хранение данных в памяти; необходимо принимать решения относительно того, что хранится и что отбрасывается.
Теперь есть несколько хитростей, которые мы используем, чтобы убедиться, что мы выбираем наши события с умом. Мы немедленно рассмотрим множество факторов, связанных с столкновением, чтобы определить, стоит ли присматриваться к нему: что мы называем триггером. Если вы пройдете триггер, вы перейдете на следующий уровень. (Небольшая часть неуправляемых данных также сохраняется, на случай, если есть интересный сигнал, который мы не думали запускать.) Затем применяется второй слой фильтров и триггеров; если событие достаточно интересно для сохранения, оно помещается в буфер, чтобы обеспечить его запись в хранилище. Мы можем быть уверены, что каждое событие, помеченное как «интересное», сохраняется вместе с небольшой долей неинтересных событий.
Поэтому при необходимости выполнения обоих этих шагов для анализа можно сохранить только 0,003% от общего объема данных.
Откуда мы знаем, что мы сохраняем нужные данные? Те, где, скорее всего, мы создаем новые частицы, понимаем важность новых взаимодействий или наблюдаем новую физику?
Когда у вас есть протон-протонные столкновения, большинство из того, что получается, это нормальные частицы, в том смысле, что они состоят почти исключительно из кварков вверх-вниз. (Это означает, что частицы, такие как протоны, нейтроны и пионы.) И большинство столкновений — это скользящие столкновения, что означает, что большинство частиц попадают в детектор в прямом или обратном направлении.
Итак, чтобы сделать этот первый шаг, мы попытаемся найти треки частиц относительно высоких энергий, которые идут в поперечном направлении, а не вперед или назад. Мы пытаемся поместить в память детектора события, которые, по нашему мнению, обладали наибольшей доступной энергией ( E ) для создания новых частиц с максимально возможной массой ( м ). Затем мы быстро выполняем вычисление того, что находится в памяти детектора, чтобы определить, стоит ли записывать на диск или нет. Если мы решим сделать это, он может быть поставлен в очередь, чтобы перейти в постоянное хранилище.
Общий результат заключается в том, что каждую секунду можно сохранить около 1000 событий. Это может показаться большим, но помните: примерно 40 000 000 пучков сталкиваются каждую секунду.
Мы думаем, что делаем умную вещь, выбирая сохранить то, что мы экономим, но мы не можем быть уверены. В 2010 году ЦОД ЦЕРН прошел огромный этап данных: 10 петабайт данных. К концу 2013 года они передали 100 петабайт данных; в 2017 году они прошли этап в 200 петабайт. Тем не менее, несмотря на все это, мы знаем, что выбросили — или не смогли записать — примерно в 30000 раз больше этой суммы. Возможно, мы собрали сотни петабайт, но мы отбросили и навсегда потеряли много зетабайт данных: больше, чем общий объем интернет-данных, созданных за год.
Вполне возможно, что LHC создал новые частицы, увидел доказательства новых взаимодействий, а также наблюдал и записывал все признаки новой физики. И это также возможно, из-за нашего незнания того, что мы искали, мы выбросили все это и будем продолжать это делать. Кошмарный сценарий — без новой физики за пределами Стандартной Модели — похоже, сбывается. Но настоящий кошмар — это очень реальная возможность того, что новая физика существует, мы создали идеальную машину, чтобы найти ее, мы нашли ее, и мы никогда не осознаем ее из-за решений и предположений, которые мы сделали , Настоящий кошмар заключается в том, что мы обманули себя, полагая, что стандартная модель верна, потому что мы смотрели только 0,003% данных, которые там есть. Мы думаем, что приняли правильное решение, чтобы сохранить то, что мы мы держали, но мы не можем быть уверены. Возможно, что это тот кошмар, который мы неосознанно навлекли на себя.
