Экспресс в CERN. "В мире науки" №8-9, 2017

Томский политехнический университет некоторое время назад стал одним из активных участников программ CERN. Однако путь ТПУ в Европу оказался довольно длинным. О том, как складывалось сотрудничество ТПУ с CERN, и о том, каким оно планируется в будущем, нашему корреспонденту рассказали сотрудники Томского политеха.

Начиналось все с изучения параметров пучков заряженных частиц различных ускорителей. Эти работы вела группа исследователей под руководством А.П. Потылицына на кафедре прикладной физики. Первые международные контакты в начале 1990-х гг. установили с японскими учеными из Национального исследовательского центра физики высоких энергий в Цукубе. В Японии была хорошо налаженная инфраструктура для проведения экспериментов, тем не менее исследования не развивались, и японцам, точно так же как и россиянам, нужны были новые люди с новыми идеями и большим желанием работать. Все сложилось удачно, появились совместные проекты, наладилось взаимодействие. Японцы приглашали А.П. Потылицына читать лекции, проводить совместные эксперименты, он возил в Японию своих студентов и аспирантов и начал собирать вокруг себя команду молодых амбициозных ребят, которые были готовы поехать куда угодно, чтобы заниматься наукой.

Александр Рудольфович Вагнер, 
заведующий кафедрой прикладной физики ТПУ, исполняющий обязанности заместителя директора Физико-технического института по развитию:

— Возникла очень удачная связка, когда есть люди, готовые поехать и начать исследования, и есть потребность в этих людях. Этот механизм тогда очень удачно сработал, и заметное число наших выпускников и сотрудников университета смогли поработать в зарубежных ускорительных центрах и даже стали одними из лучших в своей области исследований. Появились хорошие совместные публикации в авторитетных журналах, шаг за шагом стало развиваться международное сотрудничество. Тогда мы начали работать с исследователями из Украины, Франции, Германии, США. Взаимодействие получило хорошее  развитие, мы и сейчас поддерживаем тесные связи с японскими коллегами. Большинство наших выпускников, работающих за рубежом, так или иначе связаны с ТПУ. Кстати, многие, поработав в иностранных центрах, возвращаются в университет, становятся здесь ведущими исследователями, формируют свои направления научной работы. Такое сотрудничество очень полезно, люди выезжают, работают в отлично оборудованных лабораториях, активно контактируют с зарубежными коллегами — и, самое главное, с коллегами, представляющими другие научные школы.
Но даже когда наши выпускники или аспиранты остаются работать за рубежом, это все равно очень полезно, поскольку
создаются и укрепляются связи, расширяется круг совместных работ, исследований, программ. Наука не может развиваться в замкнутом ­пространстве.

Таким образом в университете развивались компетенции в области прикладной физики. Результат не замедлил сказаться: в рамках одной только коллаборации «Томский политехнический институт — Хиросимский университет» проведено более десятка совместных экспериментов на ускорителях ТПУ, Токийского и Хиросимского университетов. Результаты исследований опубликованы в трех с лишним десятках статей.
Первые работы томских ученых в рамках программ CERN прошли в составе коллаборации UA9. Их тематика была очень близка к тому, чем занималась группа А.П. Потылицына: анализ пучков протонов, образующихся в большом кольце LHCb.

В начале 2010-х гг. в стране начала работать Федеральная целевая программа «Кадры», в рамках которой стало возможным получение весомых грантов. На эти средства в Томске удалось организовать несколько лабораторий и привлечь для работы в них ведущих ученых из-за рубежа.

Сергей Анатольевич Байдали,
доцент кафедры электроники и автоматики физических установок ТПУ:

— Программа грантов позволила возвратить не просто людей, а компетенции наших выпускников, которые сейчас работают за границей. Крайне важно, что у наших ведущих ученых появилась возможность эффективно работать и за рубежом, и в России, зачастую создавая новые лаборатории, формируя новые перспективные направления исследований. Появились средства, позволяющие оставлять в вузе наиболее талантливых студентов, давать им возможность развиваться, заниматься интересными и важными программами. На эти деньги приобретено и запущено в работу сложное дорогое оборудование и, как следствие, развиты связи с международными коллаборациями, в том числе входящими в CERN, куда и мы, конечно, стремились попасть.

Когда мы вживую познакомились с CERN, с его мощнейшей инфраструктурой, высочайшим уровнем исследований и фундаментальной науки, нам самым естественным образом захотелось в этом участвовать. Тогда мы стали размышлять, как бы нам наладить сотрудничество с этой большой коллаборацией. Естественно, первые контакты происходили на различных международных конференциях.

Павел Владимирович Каратаев,
профессор Университета Роял Холлоуэй (Великобритания), заведующий лабораторией разработки источников электромагнитного излучения центра RASA на базе ТПУ:

— CERN — большая и открытая организация. Он открыт для каждого человека на этом свете, будь ты известный физик, простой школьник или школьный учитель. У них есть курсы, которые помогают перенастроить, переоснастить их образовательные программы. Есть примеры, когда наши учителя из Томска попадали в CERN и знакомились там с проводимыми экспериментами. Популяризация в CERN — такая же по важности составляющая работы, как и научные и технические программы. Одно из основных достоинств CERN в том, что он привлекает фантастическое количество молодежи в физику. Я уже несколько лет принимаю участие в работе приемной комиссии в университете в Лондоне. Практически у каждого поступающего есть абзац в резюме: ходил, видел, слышал, читал о CERN. И, вероятно, в этом одна из причин, почему CERN так «высоко сидит».

Одной из характерных особенностей CERN почти все люди, так или иначе взаимодействовавшие с ним, называют очень высокий уровень интереса к конструктивным предложениям, с которыми могут туда обращаться любые организации. Если
предложение позволяет снизить затраты на проведение экспериментов, повысить чувствительность или точность измерительных комплексов, улучшить логистику, оптимизировать обработку и хранение данных — все это встречается с большим вниманием.

А.Р. Вагнер:

Сначала было абсолютно непонятно, как включиться в работу с CERN. Мы понимали, где мы сильны, но не могли оценить, где мы можем быть востребованы. Была проделана большая работа, мы ездили в различные исследовательские
организации, в том числе в Курчатовский институт, приглашали к нам иностранных и отечественных ученых, среди которых М.П. Титов (Комиссариат по атомной энергии Франции), В.Ю. Егорычев (ИТЭФ, Москва), А.А. Климентов (Брукхейвенская
национальная лаборатория, США), В.И. Шевченко (НИЦ «Курчатовский институт», Москва) и многие другие. Эти люди поверили в нас и оказали неоценимую помощь по продвижению ТПУ в эксперименты, реализуемые на БАК. Именно эти люди помогли понять, что Томский политех может представлять интерес для международных коллабораций как сильная практическая инженерная школа.
Одно из ключевых направлений работы в CERN — работа с информацией. Объем данных, которые выдают детекторы коллайдера, трудно себе представить: события в ускорителе (например, столкновения протонов) происходят примерно каждые 25 нс. Каждое событие регистрируют соответствующие детекторы. Информация с них должна быть снята, обработана и сохранена. Примерный ее объем составляет петабайты в секунду. Для наглядности представьте себе, что каждую секунду полностью загружается 1 тыс. внешних жестких дисков емкостью 1 ТБ.

С.А. Байдали:

Мы включились в работы CERN весьма активно по двум направлениям. Первое — обеспечение распределения задач между огромным количеством вычислительных комплексов по всему миру начиная от крупных комплексов ГРИД-1, ГРИД-2 до небольших грид-систем отдельных институтов и лабораторий участников экспериментов. Основная задача состоит в том, чтобы огромное количество данных, полученных в ходе работы эксперимента, оптимальным образом распределить по вычислительным комплексам для получения результата в минимальные сроки с максимальной эффективностью. В настоящий момент мы решаем эту задачу совместно с группой исследователей, вовлеченных в эксперимент ATLAS, но мы
также намерены тиражировать наши разработки и на эксперимент COMPASS.
В расчетах приходится задействовать огромное количество компьютеров, в их числе такие суперсистемы, как, например, Google и Amazon, а также суперкомпьютеры, например, Titan. Включиться в их работу надолго очень дорого. Однако существуют небольшие временные окна (паузы) между выполнением собственных расчетов — от нескольких минут до получаса. Если эти окна суметь занять, то суммарно получатся миллионы часов суперкомпьютерного машинного времени. В CERN научились разбивать задачи на отдельные фрагменты, распределять их выполнение по разным вычислительным центрам по всему миру, а потом собирать вместе и получать корректное решение. Это первая, вычислительная часть.
Вторая часть — работа с распределением метаинформации. Метаинформация — это информация о другой информации, то есть данные о расположенных где-то данных. Огромное количество данных хранится в распределенном виде по всему миру. Какие-то устаревают или признаются потерявшими актуальность после верификации, но информация о них все равно хранится. Таким образом, и эти работы в свою очередь также делятся на две ипостаси. Первая — чистильщик, который
уничтожает неиспользуемую, неактуальную, ошибочную или ненужную информацию, вторая — система, которая позволяет в нужный момент времени с определенной скоростью получить доступ к нужным данным, причем неважно для чего — для написания ли статьи, анализа, проверки или копирования.
Интересно, что среди источников больших данных, то есть огромных массивов информации, генерируемых в единицу времени, физика высоких энергий сейчас уже не занимает первое место. Социальные сети генерируют в единицу времени
гораздо больше данных. Правда, «цена» их анализа и обработки не столь велика, да, пожалуй, и соответствующие алгоритмы не так совершенны. Так что пройдет совсем немного времени, и технологии работы с большими данными из физики перекочуют в другие сферы деятельности.

П.В. Каратаев:

Существуют специальные алгоритмы обработки и анализа информации, поступающей от детекторов. Они позволяют отсечь события, в которых ничего знакового не произошло, и исключить ненужную информацию. Эта работа также крайне важна, иначе поток информации станет чрезмерным и обработать и осмыслить ее будет совершенно невозможно.
Детектор — это большая цепь чувствительных элементов. При столкновении двух пучков большинство находящихся в них протонов пролетают мимо друг друга. В таком случае информация об этом событии интереса не представляет и не сохраняется. Если же взаимодействие произошло, образуется составная частица, которая затем распадается и ее осколки разлетаются в разные стороны. Задача детектора — зарегистрировать все эти частицы. Например, в детекторе ATLAS создается мощное магнитное поле. В этом магнитном поле траектория заряженных частиц искривляется, а нейтральных — нет. В итоге мы знаем, какая частица заряжена, какая нет. Поскольку нам известны исходная энергия протона и его скорость
перед столкновением, то по углу отклонения мы можем рассчитать массу образовавшейся частицы. По форме траектории частицы мы можем установить «место встречи», то есть с высокой точностью определить координаты точки, где произошло разделение. Однако протон — это не элементарная частица, он состоит из кварков. Когда происходит взаимодействие протонов, энергия связи кварков теряется. Образуется фон, из которого бывает довольно трудно вычленить искомый сигнал. Поэтому датчики должны быть весьма чувствительны, правильно установлены и откалиброваны. А поскольку детекторных модулей тысячи, то уровень ответственности за работу детектора очень высок.
При этом сложность обслуживания невероятная. Ведь все оборудование находится в тоннеле, в который входить можно лишь раз в год. Для работы в коллайдере используют детекторы разных типов. Сотрудники ТПУ принимают участие в модернизации так называемого алмазного детектора. Его основу действительно составляет кристалл алмаза. Точнее, кристаллы.

Сам по себе алмазный детектор — это ионизационная камера, в которой ионизационный объем — это кристалл. Частица, попадая в объем камеры, сталкивается с атомами, происходит ионизация атомов внутри кристалла, появляются свободные носители заряда. Где собираются свободные носители заряда, там течет ток, этот ток и регистрируется. Есть частица — есть ток, нет частицы — нет тока. Но это в теории. Проблема в том, что в тех алмазах, которые сейчас используют, есть теневой ток, и он живет своей собственной жизнью. Связано это с тем, что кристалл никогда не бывает идеальным, и одинаковых двух кристаллов тоже не бывает. У них всегда есть какие-то дефекты или выбитые атомы. Кроме того, частица с высокой энергией может выбить атом из кристаллической решетки, тогда появится дефектная проводимость, она генерирует некий фон — и датчик в какой-то момент просто перестанет функционировать как детектор.
Существующие сейчас датчики изготовлены на основе монокристаллов. Их довольно сложно изготавливать, да и качество — однородность — трудно гарантировать. Использование природных алмазов тоже не решает всех проблем. Начнем с того, что в них нередко встречаются примеси, нарушающие однородность. Кроме того, для встраивания в датчик кристаллы должны быть тщательно обработаны и доведены до стандартного размера. CERN выделил нам несколько сломанных детекторов, и мы стараемся понять, в чем причина их нестабильности.
Наилучшим решением стало (по крайней мере, в настоящий момент) использование поликристаллической пленки. Разработанная и освоенная в ТПУ технология позволяет изготовить такую пленку любой необходимой формы и размера.

С.А. Байдали:

Над технологией выращивания тонких поликристаллических алмазных пленок работают сотрудники Института физики высоких технологий ТПУ. На разогретой до 2 тыс. градусов Цельсия вольфрамовой нити проводится разложение смеси метана и водорода (метод так и называется — «метод горячей нити», Hot Filament Chemical Vapour Deposition). Впрочем, и в этой технологии есть проблемы: прежде всего, это все та же неоднородность получаемой пленки. На границах микрокристаллов, составляющих поле пленки, может накапливаться углерод в неалмазной форме. У него иные физические свойства, и это вносит погрешности в работу датчика. Тем не менее эта работа очень перспективна, поскольку проблема
очистки пленки от неалмазных включений решаема, а сам пленочный датчик значительно технологичнее, дешевле, а главное, стабильнее, чем построенный на основе относительно крупных кристаллов.
Большой адронный коллайдер готовят к модернизации. Цель — поднять светимость (по сути — мощность) в десять раз. Следовательно, грядет замена всей измерительной аппаратуры. Работающая сейчас просто не выдержит новых нагрузок. При повышении мощности существует вероятность возникновения нестабильности внутри коллайдера. Соответственно, необходимо разрабатывать технологии, которые позволят эти нестабильности ликвидировать либо свести их к приемлемому минимуму. Сотрудники ТПУ вместе с множеством других исследователей и инженеров активно включились в эту работу.

Исторически так сложилось, что в CERN один ускоритель эксплуатируется, второй разрабатывается, третий — «в уме». У них всегда эта схема действует, она позволяет все время создавать что-то новое. Сейчас работает Большой адронный коллайдер, но готовится его апгрейд (почти на миллиард евро, и это уже одобренная часть). А «в уме» — огромный линейный коллайдер или будущий циклический коллайдер, он будет еще больше, чем БАК, который станет для него инжектором. Для него пророют стокилометровый тоннель, и Большой адронный коллайдер станет компактным. Если в CERN забраться на гору, то БАК с горы видно полностью. Новый коллайдер с горы уже видно полностью не будет, существенная его часть будет за горизонтом.
Увы, для нас это нехарактерно. У нас правила игры меняются раз в полгода, и это толстые палки в наши колеса, потому что мы не можем прогнозировать хотя бы на год вперед. У них другая ситуация. На вопрос, что будет сделано в 2025 г., следует вполне конкретный ответ, и сомневаться в том, что так и будет, не приходится. И наш университет будет принимать в этом участие. Иначе никак!

Подготовил Дмитрий Зыков