Här ska universums hemligheter avslöjas

Sju centimeter långa partikelbuntar, åtta tusendelars millimeter i diameter, med 110 miljarder protoner vardera, kolliderar i en jättekrock och så blir det bara skrot av alltihop, partikelskrot, ett osynligt fyrverkeri av nya partiklar som avslöjar materiens innersta hemligheter genom sättet de flyger iväg från krocken. Fyrverkeriet, en händelse på 100 pikosekunder, var 25 nanosekund, registreras av Atlasdetektorn på Cern, en detektor på 7 000 ton med drygt hundra miljoner partikelsensorer i flera lager, och värdena registreras, tidsstämplas och lagras i en databas.

Nu tar grid computing-nätet över och skapar en tredimensionell bild av förloppet. Genom att se hur partiklarna färdas kan man förstå vilka partiklar det rör sig om och hur de samverkade vid krocken.

När lagringsringen LHC, Large Hadron Collider, går igång år 2007 kan forskarna vara mikrokosmos hemligheter på spåren! (Observera att artikeln skrevs 2003 när Atlas var under byggnad)

Hög elräkning

Allting hos LHC är gigantiskt. ”Large” i LHC anger att den är väldigt stor, 8,6 kilometer i diameter. LHC är en lagrings- och acceleratorring, precis som SPS, som den får sina protoner från (se första artikeln i serien). Protoner som kommer från SPS håller 450 gigaelektronvolt energi när de växlas in i LHC och kommer att accelereras till 7 teraelektronvolt, med samma metoder som i SPS, om än i supraledande form. Det sparar helt enkelt energi, och Cerns elräkning är redan tillräckligt hög.

Partiklarna växlas in i två skilda rör, där de roterar mot varandra. Rören går bara samman i detektorerna, där partiklarna kan mötas i sammanlagt 14 teraelektronvolt.

Vad är då hadroner? Det är den familj av elementarpartiklar där protonen ingår och som ska krockas i 99,99999 procent av ljushastigheten.

Runt LHC-ringen finns fyra detektorer. Atlas (A Toriodal LHC Apparatus), som den här artikeln behandlar, finns vid Cerns huvudanläggning i Meyrin nära Genève och ska användas till forskning om Big Bang, varför massa finns, Higgs-sönderfall, toppkvarkar och problemet med för lite antimateria.

LHC engagerar 2 000 fysiker från 150 olika universitet och ska fungera i 30 år. Materialkostnaden för uppbyggnaden av LHC är 350 miljoner euro.

Hundra meter ned ska Atlas monteras

Det här huset, Atlasbyggnaden, står precis ovanpå hålet där Atlas ska monteras ihop 100 meter ned i marken. Detektorn blir precis lika stor som huset.

Från krock till limpa

Låt oss följa signalen från själva krocken och ut till hårddiskarna. Jämför med den tekniska skissen (se rutan nedan).

Krockarna i Atlas skapar dataflöden i petabyte per sekund.


FÖRKLARING TILL DEN TEKNISKA SKISSEN. Alla foton har en färgsymbol vars färg återfinns inne i detektorn eller elektroniken runt omkring. Den röd-blå visar pixeldetektorn som befinner sig allra längst inne i mitten.

Krocken sker inuti den röd-blå delen i mitten av Atlas och därifrån sprider sig partiklarna ut genom detektorns alla lager. De stora magneterna runt omkring alstrar ett magnetfält som böjer av partikelspåren. Beroende på partiklarnas hastighet, energi och laddning kommer de att böjas av olika kraftigt och åt olika håll. Det är med hjälp av spårens avböjning och hur långt ut partikeln orkar tränga man avgör vilken sort det var.

Detektorn har lager på lager av sensorer, med de allra finast upplösta pixeldetektorerna (halvledare) längst in och grövre gasfyllda sensorer längre ut. Alla sensorer ger en elektrisk utsignal som tas om hand av skiftregister i
nivå 1-lagringen med 40 megasample per sekund på 147 megakanaler! Skiftregistren för nivå 1 befinner sig egentligen inuti detektorn (röd-blå symbol). Tyvärr inte så enkelt att visa på ritningen.

Det är de höga hastigheterna som gör livet surt för mätteknikerna. Ljusets hastighet är den begränsande faktorn. Medan en kollision inträffar är partiklarna från förra kollisionen fortfarande på väg ut genom detektorn. De elektriska mätningarna av en kollision har bara hunnit 7,5 meter på den 120 meter långa ledningen när nästa smäll kommer.

Dataflödet in i nivå 1 ligger i petabyte per sekund, och det går inte att lagra. Men eftersom de flesta krockar inte är av intresse, data-skräp, låter man triggelektronik avgöra om data ska behållas eller kastas. Triggelektroniken kan liknas vid en massiv parallelldator som reagerar på ett antal utvalda kanaler för de signaltyper man är intresserad av. Det tar 1 mikrosekund för triggsignalen att komma till elektroniken, 0,5 mikrosekunder att fälla avgörandet och 1 mikrosekund till för signalen att gå tillbaka till skiftregistren inne i detektorn.

För det mesta kastas data och endast 75 gigabyte per sekund återstår in i nivå 2. På denna nivå tar specialbyggda processorer över och filtrerar bort oönskade händelser. Efteråt återstår cirka 1 000 händelser per sekund in till nivå 3.

På nivå 3 kan data börja bearbetas med programvara och multipla processorer, och ett antal händelsefiler åsätts signalen. Efter nålsögat är datahastigheten reducerad till 300 megabyte per sekund, vilket kan lagras på hårddisk med rimlig ansträngning. Detektorn går dag och natt och dataflödet upphör aldrig, så på ett år räknar man med att behöva lagra 10 petabyte.

Tredimensionella bilder

Olika teorier beskriver hur resultatet kan se ut när man krockar sönder två protoner och frigör Higgs-partikeln. Sensorernas plats i detektorn är kända på en my när, och det är viktigt när man ska börja med mönsterigenkänningen. Den börjar längst ut i detektorn och går inåt. De väl urskiljbara mönstren i de yttersta myondetektorerna är startpunkter, och sedan
jobbar sig programvaran inåt och följer spåren mot centrum. Resultatet blir en tredimensionell bild av krocken, där allt skräp kan silas bort. När man hittat rätt sorts sönderfall kan man konstatera att Higgs-partikeln finns och verifiera att denna skapar massan i universum. Sedan väntar Nobelpriset (det stående skämtet på Cern).

Cerns kapacitet räcker inte

Den mängd databehandling som krävs för mönsterigenkänningen är enorm. Man beräknar att man kommer att behöva en TIPS (tera-instruktioner per sekund) för att hålla jämna steg. Det räcker inte med de datorer som Cern kan tillhandahålla, utan alla medlemsländer får vara med och bearbeta data tillsammans i ett nätverk, en så kallad datagrid.

För tillfället har man byggt en parallelldatorprototyp med Linuxmaskiner sammankopplade med Gigabit Ethernet, som kommer att byggas ut fram till driftsstart, men ändå behövs parallell bearbetning av maskiner i hela värden. Vilken institution som helst kan vara med i griden, och öppen programvara finns att ladda ned. Provberäkningar har redan körts i den nordiska Nordugrid med simulerade Atlas-data. En typisk indatamängd ligger på 200 gigabyte och utdata i klassen 765 gigabyte produceras på 150 sekunder. Kommunikationen mellan de olika noderna i den världsomspännande griden kommer att ske via en annan Cernuppfinning, the World Wide Web.

Ger svar på universums gåtor

Magnetfälten i Atlas (1-3T) skapas av supraledande magneter. Magneterna måste drivas och kontrolleras (i skissen: den blå elektroniken till vänster). De ligger på 4 Kelvins temperatur, och det behövs en hel fabrik för att tillverka flytande helium att kyla dem med. En supraledande ledning består av ett tunt knippe supraledande ”fibrer” av niob-titan-legering, försilvrade och omgivna av en mantel av aluminium. Ingen isolation? Om ledningen har en mantel av aluminium blir det väl bara en enda gigantisk kortslutning? Nej, aluminium är att betrakta som en isolator i supraledande sammanhang, när själva ledaren är absolut noll ohm. Spänningsfallet över spolarna är absolut noll volt trots att man leder 24 000 ampere genom dem. Därför seriekopplar man alla 24 spolarna och har fortfarande noll ohm.

När Atlas går igång år 2007 kommer vi förhoppningsvis att få svar på många av universums gåtor. Varför finns det massa? Varför finns det för lite antimateria? Hur såg naturlagarna ut i universum 10–30 sekunder efter Big Bang och vad innebär det för universums utveckling? Ett gigantiskt samarbete mellan gruvtekniker, chiptillverkare, programmerare, nätverksfolk och partikelforskare ska leda oss ytterligare en bit in mot naturens minsta beståndsdelar, och samtidigt närmare universums ursprung.