Nuo pat 2013 metų kovo LHC išjungtas. Bet per tą laikotarpį judėjimo jame buvo kaip niekada daug: po žeme esančiame 27 km ilgio tunelio žiede knibždėjo daugybė mokslininkų ir inžinierių, o taip pat – žurnalistų ir fotografų. Bet dabar atnaujinimo darbai baigti, tunelis vėl pradėtas aušinti ir ruoštis naujai pradžiai ateinančiais metais – tada LHC tuneliu pradės suktis priešingų krypčių protonų srautai ir tikimasi, kad jie pasieks energiją, artimą 7 trilijonams elektronvoltų (ReV) kiekvienam srautui. Iki atnaujinimo greitintuvas sugebėdavo „išspausti“ beveik perpus mažesnę energiją. O dabar kiekviename sraute energijos bus tiek, kiek visu greičiu lekiančiame krovininiame traukinyje, rašo nature.com.
Greitintuve dirbantys mokslininkai žino – ir avarijų čia gali įvykti ne mažiau katastrofiškų, nei susidūrus traukiniams. 2008 metų rugsėjį buvo pabandyta paleisti 5 mlrd. JAV dolerių vertės greitintuvą visa galia, o rezultatas buvo labai liūdnas – dėl techninių problemų tunelyje išsiliejo skystas helis, naudojamas aušinimui, o jo garų sprogstamoji galia apgadino net 50 greitintuvo superlaidžių magnetų ir jų tvirtinimo elementų bei užteršė vamzdį, kuriame turi būti vakuumas. Remontas truko beveik metus ir kainavo dešimtis milijonų JAV dolerių.
„Nuo to laiko labai gerai su šiuo aparatu susipažinome“, sakė CERN srautų padalinio veiklos vadovas Mike'as Lamontas. Inžinieriai sėkmingai užlopė skyles, ištiesino tai, kas buvo sulankstyta ir vėl paleido greitintuvą 2009 metų gale. Tiesa, tik puse numatytos maksimalios galios, kad ir vėl neištiktų tokia pati bėda. Bet ir to pakako, kad dalelių priešpriešinių srautų susidūrimai pateiktų įtikinamų įrodymų, jog atrastas Higgso bozonas – paskutinioji iš prognozuotųjų dalelių 40 metų senumo fizikos Standartiniame modelyje, nusakančiame visų dalelių ir jėgų elgesį bei sąveikas. Išskyrus gravitaciją.
Bet nors mokslo pasaulis suošė iš džiaugsmo 2012 metų liepą, kai buvo paskelbta apie Higgso bozono atradimą ir dar kartą 2013 metų spalį, kai buvo paskelbta, kad fizikai teoretikai, pirmieji sugalvoję, kad turėtų egzistuoti tokia dalelė, nusipelnė Nobelio premijos, su LHC dirbančių fizikų darbas dar toli gražu nesibaigė. Ar Higgso bozonas yra vienintelis ir unikalus, kaip kad prognozuoja teorijos, ar tik lengviausias visos šeimos narys? Jei yra ir daugiau, sunkesnių, Higgso bozonų, tai juos galima būtų aptikti vykdant didesnės energijos susidūrimus. O galbūt didesnės energijos susidūrimuose mokslininkai galės įžiūrėti ir kitokių, visiškai egzotinių dalelių, kurios Standartiniame modelyje apskritai neaprašytos?
Norint patekti į greitintuvo tunelį tenka liftu leistis 100 metrų po žeme. Iš lifto patektumėte į tarnybinius koridorius, o iš ten netrukus pasiektumėte ir greitintuvo tunelį, kuriame sustatyti milžiniški ryškiai mėlynai nudažyti cilindriniai magnetai.
Net ir po 25 metų darbo CERN M. Lamontas negali nesižavėti šio aparato galia ir sudėtingumu. Tunelyje viskas ūžia ir burzgia. 15 metrų ilgio ir 35 tonų svorio magnetai virš pagrindo betono iškelti galingais kėlikliais ir pagal sunkiai suprantamą schemą apraizgyti laideliais bei vamzdžiais. O magneto centre – sandarus greitintuvo vamzdis. Norint apsisaugoti nuo 2008 metų katastrofos pasikartojimo visur prikaišiota jutiklių ir priraizgyti keli papildomi tūkstančiai kilometrų laidų – tai yra sistema, kuri įspėtų net apie mažiausius įtampos šuolius greitintuve. Po nelaimės pakeisti arba sutvirtinti 10 000 superlaidžių jungiamųjų elementų – šį darbą 250 žmonių dirbo daugiau nei metus.
Jau nuo šio birželio pradėtas magnetų aušinimas iki jų darbinės temperatūros – 1,9 laipsnio virš absoliutaus nulio. Arba iki mažiau nei -271 ºC. Tik tokiame spengiančiame šaltyje magnetinius laukus generuojantys laidai tampa superlaidžiais. O kad procesas būtų valdomas, LHC žiedas yra padalintas į aštuonis segmentus, kuriuos galima aušinti nepriklausomai. Magnetus atšaldžius – kiekvienam segmentui tai trunka du mėnesius – mokslininkai atliks elektros sistemų bandymus, norėdami įsitikinti, kad greitintuvas galės veikti maksimalia energija. M. Lamontas jau dabar žino, kad ne viskas bus rožėmis klota. Yra magnetų, kurie puikiai veikė bandymų virš žemės paviršiaus metu, tačiau kažkodėl paspringsta, arba praranda savo superlaidumą kai pasiekia magnetinio lauko ekvivalentą, atitinkantį 6,5 TeV srauto energiją. Bet tai – ne baisi tragedija. Magnetus galima pataisyti kelis kartus pakartojant „paspringimo“ procesą, kol jie stabilizuosis ir pradės veikti taip, kaip turėtų. Nors tai užtruks. „Ir tų velnių yra šimtai“, - burba inžinierius.
Kad ir kiek tai betruktų, ateis laikas, kai protonų srautai vėl beveik šviesos greičiu skries požemiu tarp Prancūzijos ir Šveicarijos – prognozuojama, kad tai nutiks jau 2015 metų kovą. O po dar kelių savaičių bandymų fizikai pradės atsargiai nukreipinėti priešpriešinius srautus vieną į kitą ir tikrins, ar saugu jutikliais rinkti tų susidūrimų duomenis.
Už maždaug 8,5 kilometrų nuo ATLAS, priešingoje LHC žiedo pusėje, Tiziano Camporesi stovi įsmeigęs akis į CMS jutiklį ir žavisi fizikų, jį suprojektavusių dar prieš 30 metų, genialumu. „Jie tikriausiai buvo bepročiai“, - sako T. Camporesi. Daug žmonių aiškino, kad šis aparatas – milžiniškas cilindras su koncentriniais dalelių jutikliais iš silicio, superlaidžiais magnetais ir milžiniškais geležiniais skydais, išlaikančiais magnetinį lauką – bus per daug sudėtingas, kad veiktų. Bet jis veikė. Ir, pasak T. Camporesi, „kur kas geriau, nei patys kada nors tikėjomės“. Būtent CMS ir ATLAS jutikliais 2012 metais užfiksuotas neabejotinas Higgso bozono signalas.
T. Camporesi labiausiai didžiuojasi tuo, kad į į abu CMS galus įstatytos keturios disko formos kameros, padidinsiančios jutiklio gebėjimą registruoti muonais vadinamas daleles. Šis patobulinimas pagerins jutiklio „trigerį“ - elektronikos ir programinės įrangos komplektą, kuris registruoja daleles, kiekvieno srautų susidūrimo akimirką atsimušančias į jutiklį ir ieško nuokrypių, kuriuos būtų verta tyrinėti įdėmiau. Fizikai tokiu trigerius naudoja jau kelias dešimtis metų, sako T. Camporesi. O iš naujo paleidus LHC jame protonų srautai ne tik lakstys gerokai energingiau, bet ir bus padidintas protonų, esančių kiekviename sraute, kiekis. Dėl to CMS jutiklyje vyks iki 2 mlrd. susidūrimų per sekundę. Kol vieno susidūrimo dalelės pateks ant jutiklio plokštelių, dar 50 susidūrimų įvyks už plokštelių. O trigeris turės nuspręsti, kurių susidūrimų duomenys yra tinkami tolimesnei analizei – planuojama iš tų 2 milijardų atrinkti „tik“ po kelis šimtus susidūrimų per sekundę. „Dabar tai atima visą mūsų laiką“, - sako T. Camporesi.
Bėda su duomenimis
Procesoriai analizuoja duomenis taikant algoritmus, kurie identifikuoja kiekvienos po susidūrimo išlėkusios dalelės tapatybę, energiją ir kryptį. Analizės rezultatai įrašomi į magnetinę juostelę – senamadišką terpę kuri prieš šiuolaikines skaitmenines laikmenas turi du svarbius privalumus: taip pigiau ir saugiau duomenims.
Bet vien iš informacijos saugojimo CERN laboratorijoje mokslininkams jokios naudos nebūtų – jie, genami nepasotinamo smalsumo žinioms, visą savo laiką skiria tūkstančių programinio kodo eilučių rašymui – šis kodas milijonų susidūrimų duomenyse ieško neįprastų signalų. Duomenų analizei mokslininkai sukūrė Pasaulinį skaičiavimo tinklą (Worldwide Computing Grid), kuriame centrinis kompiuteris kopijuoja duomenis į 13 „pirmo lygio“ kompiuterių centrų, išsidėsčiusių skirtingose pasaulio vietose. O šie centrai savo ruožtu sujungti su daugiau nei 150 mažesnių kompiuterių klasterių - „antro lygio“ mazgais, kurių dauguma yra universitetuose.
Tiesa, galutiniai duomenų naudotojai apie visas šias operacijas nelabai ką ir težino. Fizikams tereikia įrašyti programą į tinklą, nurodant kurie susidūrimai juos domina. O tuomet tinklo programinė įranga automatiškai perduoda šį darbą centrui, turinčiam pakankamai skaičiuojamosios galios ir vietos duomenims, paleidžia programą ir fizikui grąžina pagal jo pageidavimą apdorotus duomenis.
Tą dieną, kai greitintuvo laboratorijose lankėsi „Nature“ žurnalistai, jame vienu metu veikė 10 500 programų. O tinklo apkrova buvo tik 6 procentai. Jei ne šis tinklas, mokslininkai veikiausiai iki šios dienos aiškintųsi, ar Higgso bozonas egzistuoja, ar ne.
Tiesa, skaičiavimo tinklo koordinatorius Jungtinėje Karalystėje, Kembridžo universiteto fizikas Jeremy Colesas įsitikinęs, kad kompiuteriai susitvarkys ir su padidėjusiu duomenų srautu. Iš dalies – dėl to, kad smarkiai patobulėjo skirtingų kompiuterių centrų integracija. „Per pastaruosius 10 metų duomenų perdavimas labai pagreitėjo. Labiau nei tikėjomės.“ Pavyzdžiui, per praėjusius metus CERN savo duomenų centrą, pasiekusį galimybių ribą, dviem šviesolaidžiais, duomenis perduodančiais 100 Gbps sparta, sujungė su panašiu centru Budapešte (Vengrija). Pasak J. Coleso, sistema veikia taip, tarsi Budapešto kompiuteriai būtų gretimoje patalpoje.
Bet 30 petabaitų per metus – toli gražu ne riba. Dėl planuojamų LHC patobulinimų iki 2020 metų pradžios šis srautas turėtų išaugti iki 110 petabaitų per metus, o po kurio laiko ketinama pasiekti ir viršutinę numatomą duomenų generavimo ribą – 400 petabaitų per metus. „Kol kas tiek apdoroti neįstengtume“, - sakė J. Colesas.
Susirūpinimą fizikams kelia tai, jog procesorių sparta, iki šiol augusi milžinišku greičiu, dabar auga konservatyviau. Dabar geriausi prieinami procesoriai yra su 2, 4 ar 8 branduoliais, o ateityje tų branduolių tikriausiai bus ir daugiau. Tik kad LHC duomenų apdorojimo kodas paruoštas darbui su vienu procesoriumi vienu metu. Norint vykdyti procesu lygiagrečiai tektų perrašyti 15 mln. eilučių kodo, kurį daugelį metų rašė tūkstančiai žmonių.
Bet CERN fizikai susidūrę su kliūtimis nesustoja. Praėjusio amžiaus devinto dešimtmečio pradžioje jie susidūrė su poreikiu greičiau dalintis informacija – todėl buvo sukurtas pasaulinis tinklas (World Wide Web, WWW). Kai prireikė naudotis ir toli esančių kompiuterių ištekliais, buvo sukurtas Pasaulinis skaičiavimo tinklas. Jei reikės, bus sukurtas būdas ir kitoms problemoms išspręsti.