ИТ и Большой адронный коллайдер. Открытая лаборатория в ЦЕРН
23 ноября 2010
Рубрика: Новости Intel. Тэги:
Автор: Александр Семенов.

27 октября в рамках мероприятия Intel Cloud Computing event at CERN эксклюзивное интервью журналистам из СНГ дал Вольфган фон Рюден, глава CERN Open Lab.

intel_23_11_2010

ВР. Одно из наиболее важных и интересных направлений нашей работы – это синхронизация больших баз данных. На Большом адроном коллайдере есть общая база данных о работе ускорителя и обо всех его экспериментальных установках. В этой базе постоянно отражается все, что происходит с каждой из установок – от температуры в любой из его частей до всех перестроек и перестановок. У каждого из детекторов есть примерно миллион параметров, характеризующих его состояние. Когда детектор начнет собирать физические данные, то объемы баз данных возрастут многократно. Они хранятся в ЦЕРНе, но мы должны обеспечить доступ к ним всем университетам, которые участвуют в работе детектора, чтобы ученые могли проводить все необходимые исследования на своих рабочих местах. Для этого надо создать в университетах по всему миру точные копии баз данных ЦЕРНа и постоянно обновлять их. Синхронизацию баз данных мы реализуем через сеть, не связываясь ни с какими дисками и лентами. Причем, обновляются они практически мгновенно после появления новых данных.

Есть у нас и промышленное направление работы, здесь мы активно сотрудничаем с компанией Siemens в плане PLC и систем SCADA (автоматизированного проектирования). Не менее интересны для нас и вопросы обеспечения безопасности – в широком смысле этого слова. Безопасность работы с жидкими газами, с безопасной подачей воды, автоматизация этого процесса и т.п. Мы не одни занимаемся такими проблемами: нечто подобное делают компании, которые занимаются обеспечением безопасного движения и подачи воды в Нью-Йорке. Мы с удовольствием сотрудничаем с небольшими компаниями, у которых есть интересные решения в таких областях.

Интересно отметить, что порой работа по разным направлениям у нас пересекается. В частности, работа над SCADA дает результаты, которые активно используются в синхронизации баз данных.

Что вы думаете об использовании графических процессоров Nvidia для высокопроизводительных вычислений?
ВР. Действительно, сейчас есть мнение, что графические процессоры могут использоваться в качестве сопроцессоров для решения некоторых задач HPC. Когда мы попытались самостоятельно изучить эту проблематику, то пришли к выводу, что во всяком случае для вычислений с плавающей запятой она не слишком хороша. Кроме того, требуется специальное программирование, что также усложняет работу.

Физики пишут свои сложнейшие программы для анализа физических процессов в экспериментальной установке и вряд ли можно быстро все это переделать в новую систему программирования. Естественно, я ни в коем случае не хочу исключать такую возможность но она должна использоваться для определенного класса задач.

Что вы используете для пересылки баз данных – Интернет или какие-то специальные каналы связи?
ВР. И то и другое. У нас есть оптические каналы связи между ЦЕРН и 11 основными физическими лабораториями по всему миру, по которым можно передавать данные со скоростью 10 Гб/с. Мы уже проводим тестирование передачи данных на скорости 40 Гб/с между ЦЕРН и Амстердам и планируем в будущем переходить и на 100 Гб/с. Это связано с тем, что 10 Гб/с нам явно не будет хватать, когда установки начнут набирать настоящие экспериментальные данные. Ожидается, что их объем будет достигать 80 Гб в секунду.

В самом вычислительном центре ЦЕРН у нас более 8 тысяч серверов и множество 10-гигабитных каналов передачи данных. Но для передачи все больших объемов данных требуется все больше стоек интерконнекта. И внутри ЦЕРН у нас назрела необходимость перехода на более высокую скорость.

Мы уверены, что нам удастся решить поставленные задачи, поскольку, как показывает опыт последних десяти лет технологические возможности в сетях передачи данных развиваются стремительнее всех ожиданий. Когда мы планировали возможности CERN на 2010 год в 2001 году, то называлась цифра пропускной способности в 600 Мб/с. Как видите, жизнь оказалась в 15 раз быстрее наших планов, причем за гораздо меньшие деньги. Общий выигрыш можно оценить в сотню.

Через несколько лет вполне можно представить себе такую ситуацию, когда ученый будет сидеть в Дубне, или в Киеве, или в Пекине на берегу реки и на своем ноутбуке запускать задачи по обработке данных только что полученных в ЦЕРН. Таким образом будет реализована ситуация полной демократии и вовлеченности в научный процесс для всех участников работы по всему миру. Уверен, что так и будет. И во многом нам помогут облачные сервисы, которые становятся все более популярными.

И когда же настанет это счастливое время?
ВР. Точной даты я назвать не могу, но процесс перехода к нему уже идет. Его успех зависит и от нас, и от наших партнеров, в частности – компании Intel, процессоры которой успешно трудятся в нашем вычислительном центре. Нам очень важны и те стандарты, которые вырабатываются в соответствующих органах, потому что в своей работе мы используем только промышленные стандарты. Важно интегрировать и большой опыт ЦЕРН в таких областях, как grid-computing в создающиеся структуры облачных вычислений.

Те 11 центров, о которых вы говорили, работают независимо друг от друга или используют одинаковые программы обработки?
ВР. Естественно, они работают по скоординированным научным программам – это принцип нашей науки. Чтобы восстановить столкновение частиц пучков в детекторе, требуется соединить результаты расчетов доброй сотни частей этого детектора. Эти программы пишутся в университетах по всему миру и потом объединяются в единое целое. Чтобы можно было сравнивать физические результаты, полученные в разных университетах, надо быть уверенным, что они получены в результате счета аналогичных программ. Коллективная работа тысяч ученых и сотен университетов – это одна из неотъемлемых черт физики элементарных частиц. Сначала все они совместно разрабатывали ускоритель и детекторы, потом – строили их, а теперь хотят иметь доступ ко всем полученным данным и обрабатывать их. Честно говоря, в ЦЕРН не так уж много физиков, они, в основном, работают в своих институтах. Именно для этого совместными усилиями и была создана эта уникальная установка – Большой адронный коллайдер.

Кстати, хочу специально подчеркнуть, что десятки российских институтов и тысячи российских ученых сотрудничают с ЦЕРН. Они вносят вклад во все элементы исследований, в том числе и в работу вычислительного центра, работая и в самом ЦЕРН и в своих родных институтах.

Каким будет следующий ускоритель?
ВР. Сейчас идут разговоры о создании линейного электрон-позитронного коллайдера на несколько Тэв энергии, но пока не решено даже в какой стране он будет построен.

Дело в том, что задача Большого адронного коллайдера — обнаружить новые частицы, и в первую очередь «хиггсы». Но в столкновении двух протонов с колоссальной энергией рождаются тысячи частиц, и новые среди них в лучшем случае можно только увидеть, но уж никак не изучить. Для пристального изучения новых частиц, их свойств и продуктов распада гораздо лучше подойдет другой ускоритель, в котором будут сталкиваться электроны и позитроны. В таком столкновении всегда рождается только то, что нужно, безо всяких дополнительных тысяч мешающих частиц. Но строить этот новый ускоритель имеет смысл только после того, как на LHC будут найдены новые частицы, хотя бы только один «хиггс».

Еще один интересный момент. Этот последний ускоритель будет линейным, поскольку закручивать электроны такой энергии не удается по разным причинам. Длина нового линейного ускорителя составит 40-50 километров, и пока даже неясно, где именно он будет построен. Есть инициативная группа энтузиастов, которая обсуждает его детали на своих встречах. Возможные места постройки — Германия, Россия, Япония и ЦЕРН. Скорее всего, его построят в ЦЕРН. Просто потому, что здесь уже сложилось сообщество, способное его разрабатывать и работать на нем, есть вся необходимая инфраструктура, и есть главное — уникальная атмосфера этого научного центра.

Всемирные страсти вокруг БАКа
Большой адро?нный колла?йдер (англ. Large Hadron Collider, LHC; сокр. БАК) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europ?en pour la Recherche Nucl?aire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Руководитель проекта — Лин Эванс.

Большим назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из трёх кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения.

В начале XX века в физике появились две основополагающие теории — общая теория относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая описывает Вселенную на макроуровне, и квантовая теория поля, которая описывает Вселенную на микроуровне. Проблема в том, что эти теории несовместимы друг с другом. Например, для адекватного описания происходящего в чёрных дырах нужны обе теории, а они вступают в противоречие.

Эйнштейн многие годы пытался разработать единую теорию поля, но безуспешно, поскольку игнорировал квантовую механику. В конце 1960-х физикам удалось разработать Стандартную модель (СМ), которая объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий — сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывают в терминах ОТО. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации.

Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из них имеют внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны энергии, недостижимые на современных ускорителях заряженных частиц.

БАК позволит провести эксперименты, которые ранее было невозможно провести и, вероятно, подтвердит или опровергнет часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» — например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии, таким образом, будет косвенным подтверждением истинности этих теорий.

Вопросы безопасности
Значительная доля внимания со стороны представителей общественности и СМИ связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи, а также угроза возникновения страпелек, гипотетически способных преобразовать в страпельки всю материю Вселенной.

Основная критика
Некоторые специалисты и представители общественности высказывают опасения, что существует вероятность выхода проводимых в коллайдере экспериментов из-под контроля и развития цепной реакции, которая при определённых условиях теоретически может уничтожить всю планету. Из-за подобных настроений БАК иногда расшифровывают как Last Hadron Collider («Последний адронный коллайдер»). Аргументы скептиков, сомневающихся в безопасности БАК изложены на соответствующих сайтах. Многие ученые считают недостаточно обоснованным обзор безопасности CERN «Review of the Safety of LHC Collisions» группы безопасности (LHC safety assessment group (LSAG)), представленной физиками-теоретиками Джоном Эллисом (John Ellis), Джианом Гуидче (Gian Giudice), Микеланджело Мангано (Michelangelo Mangano), Игорем Ткачевым и Урсом Видеманном (Urs Wiedemann), и требуют прекратить эксперименты на коллайдере и рассмотреть все аспекты безопасности экспериментов на коллайдере независимой междисциплинарной комиссией.

В связи с опасностью экспериментов на БАК наиболее часто упоминается теоретическая возможность появления в коллайдере микроскопических чёрных дыр, а также теоретическая возможность образования сгустков антиматерии и магнитных монополей с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи.

Также рассматриваются иные виды цепных реакций, когда взаимоотталкивающее взаимодействие направлено не во все стороны, а складывается в плоскость или линию, тем самым возникает воронка, стягивающая в себя все окружающее, и выталкивающая из себя сугубо в плоскости или даже по линии.

Английский физик-теоретик Эдриан Кент опубликовал научную статью с критикой норм безопасности, принятых CERN, поскольку ожидаемый ущерб (то есть произведение вероятности события на число жертв) является, по его мнению, неприемлемым.

Основная антикритика
В качестве основных аргументов в пользу необоснованности катастрофических сценариев приводятся ссылки на то, что Земля, Луна и другие планеты постоянно бомбардируются потоками космических частиц с гораздо более высокими энергиями. Такие природные частицы, энергии которых эквивалентны (и даже на порядки выше) энергиям на БАК, обнаруживают в космических лучах. Однако при сопоставлении ускорителей, помимо энергий, необходимо сравнивать и интенсивность потока частиц. Плотность потока космических частиц эквивалентной энергии, бомбардирующих земную поверхность составляет всего 5?10?14 частиц/см?•сек. Это очень редкое явление: на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли в среднем падает только одна такая частица за 600 тысяч лет. Падение частиц с большими энергиями еще более редкое явление. Например, на 1 м? границы атмосферы за 1 миллион лет падает лишь одна частица с энергией 1019 эВ. И это очень редкое, даже редчайшее, природное явление формальными математическими процедурами можно сделать массовым, умножив на количества астрономических объектов во Вселенной и космологическое время. Именно такая математическая процедура — применения больших чисел, занимает центральное место в отчете CERN. Но при этом сущность физического явления отнюдь не меняется – единичные и рассеянные соударения космических частиц высокой энергии с космическими объектами остаются единичными и рассеянными соударениями. Факт столкновения высокоэнергичных космических частиц с неподвижными космическими телами есть только один несомненный факт – единичные соударения космических микрочастиц высоких энергий с космическими объектами не приводят к каким-то последствиям в макромасштабе. Природные объекты, по-видимому, способны компенсировать удары одиночных космических частиц любой энергии. В коллайдере плотность потока частиц более чем на 38 порядков превышает интенсивность потока космических лучей. В природе нет коллайдеров с их жесткой магнитной фокусировкой потока частиц и высокой их концентрацией. Коллайдер придумал Г.И.Будкер. Эксперименты на коллайдерах по механизму столкновений отличаются от аналогичных природных явлений. Природа не ставит коллайдерные эксперименты. От того, чего нет в природе, не следует ожидать какой-то естественности. И поэтому гарантий безопасности экспериментов на коллайдерах в режимах отличных от природных (рассеяный поток космических частиц) пока что не существует.

Часто в качестве гарантии безопасности упоминается успешная работа ранее введённых в строй коллайдереров RHIC и Tevatron. Но концентрация протонов и тяжелых ионов в БАК будет на порядок выше чем в этих ускорителях. Поэтому коллайдеры, подобные LHC, могут представлять глобальную опасность, как реакционные системы, генерирующие уже не единичные явления, а экстремальные процессы, отсутствующие в земных условиях.

Возможность образования микроскопических чёрных дыр не отрицается специалистами CERN, однако при этом заявляется, что в нашем трёхмерном пространстве такие объекты могут возникать только при энергиях, на 16 порядков больших энергии пучков в БАК. Гипотетически микроскопические чёрные дыры могут появляться в экспериментах на БАК в предсказаниях теорий с дополнительными пространственными измерениями. Такие теории пока не имеют каких-либо экспериментальных подтверждений. Однако, даже если чёрные дыры будут возникать при столкновении частиц в БАК, предполагается, что они будут чрезвычайно неустойчивыми вследствие излучения Хокинга и будут практически мгновенно испаряться в виде обычных частиц. И для того, чтобы это произошло, микродыра должна разрастись до большого размера.

Указанные в критике теоретические возможности были рассмотрены специальной группой CERN, подготовившей соответствующий доклад, в котором все подобные опасения признаются необоснованными. По их расчетам максимальная верхняя оценка вероятности катастрофического сценария на БАК составляет 10?31

Источник: http://ru.wikipedia.org/wiki/LHC

Orphus system
В Telegram
В Одноклассники
ВКонтакте