12 miliardów kolizji na granicy Francji i Szwajcarii. Co tam się dzieje?

Kolizja w ruchu drogowym to zdarzenie niepożądane, najczęściej wiążące się z konsekwencjami finansowymi, a czasem także i prawnymi, dla jej sprawcy. Z kolei kolizja w ruchu cząstek lub jonów w największym na świecie akceleratorze LHC w CERN, tam gdzie pracuje Sławosz Uznański, a który znajduje się pod ziemią na granicy Francji i Szwajcarii, to zdarzenia, których naukowcy pożądają jak najwięcej.

Od końca września przez cały październik, LHC pracował na największą w historii wykryta liczbę kolizji, czyli zderzeń ciężkich jonów ołowiu. W ciągu pięciu tygodni zarejestrowano ich aż 12 miliardów przy pomocy detektora ALICE, czyli A Large Ion Collider Experiment (Eksperyment Kolizji Dużych Jonów). Dwie przeciwbieżne wiązki jonów ołowiu, które rozpędzone są do energii 5,36 TeV na parę, poruszając się prawie z prędkością światła, są w pewnym momencie wprowadzone do kanału detektora i ulegają kolizji.

Na kilka sekund powstaje materia nadciekła, czyli plazma kwarkowo-gluonowa, która swoimi własnościami odpowiada stanowi materii w początkowych chwilach istnienia wszechświata, ale także materii, która może stanowić budulec wewnętrznych części gwiazd neutronowych, a także jeszcze bardziej zwartych gwiazd kwarkowo-gluonowych. W tej plazmie istnieją swobodne kwarki i gluony, które po pewnym czasie łącza się w hadrony, czyli cząstki bliżej nam znane. Hadronami są protony, neutrony, ale nie elektron, który jest z kolei leptonem, cząstką elementarną podobnie jak kwarki.

Badanie tak gorącej i gęstej materii jest kluczowe nie tylko dla poznania dawnych epok istnienia Wszechświata, czy funkcjonowania gwiazd, które i tak są dla przeciętnego zjadacza chleba obiektami abstrakcyjnymi. Chodzi tu o poznanie najbardziej elementarnych zasad rządzących materią, jej oddziaływaniami, gdyż to w przyszłości może zaowocować nową fizyką, z której już taki zjadacz chleba być może skorzysta.

Wspomniane pięć tygodni zderzeń miało miejsce po pięcioletniej przerwie, gdy usprawniany był nie tylko akcelerator, czyli urządzenie przyspieszające jony, ale też detektor ALICE i, co nie mniej ważne, system superkomputerowy. Liczba zderzeń w trakcie tak zwanego trzeciego Runu LHC przy zderzeniach jonów ołowiu, jest imponująca, wynosi ponad 40 razy więcej niż liczba wszystkich wcześniejszych zderzeń, które zarejestrowano na przestrzeni ponad 8 lat od 2010 do 2018 roku.

Jednak równie istotny jest fakt, że zarejestrowano wszystkie zderzenia, bo energia zderzeń nie wzrosła aż 40 krotnie, ale przede wszystkim skuteczność ich detekcji. W tym celu zastosowano elektronikę nowej generacji, która pozwala na ciągły odczyt danych (nawet 1000 razy szybszy niż wcześniej), a nie tylko selekcję niektórych. Do rejestracji jest wykorzystywany sensor półprzewodnikowy o przekroju 10 metrów kwadratowych, którego rozdzielczość przestrzenna jest odpowiednikiem zdjęcia 13 gigapikselowego.

Jeśli myślicie, że najbardziej skomplikowaną konstrukcją, jaka zbudował człowiek, jest Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, to pomyślcie o CERN i detektorze ALICE, przy którego budowie pracują tysiące ludzi. Paradoksalnie kształtem przypomina on moduły stacji kosmicznych i także służy badaniu kosmosu, tylko w bardziej komfortowych dla ludzkiego organizmu warunkach.

Zbudowanie tak potężnych akceleratorów jak LHC było możliwe nawet dużo wcześniej w naszej historii, ale sam akcelerator nie wystarczy, gdyż solą fizyki cząstek elementarnych są dane gromadzone i przetwarzane przez superkomputery. W przypadku ALICE jest to obecnie system dostarczony przez AMD, na który składa się 2800 jednostek GPU i 50000 CPU, a także szybkie łącza, które pozwalają przetrawić strumień danych sięgający 770 Gbps, który i tak jest już zmniejszony na wejściu do komputerów, bo sensory ALICE tworzą aż 3,3 Tbps.

Ten strumień danych zawiera wszystkie informacje o tym co zdarzyło się po zderzeniu jonów ołowiu i co potrafimy wykryć za pomocą sensorów ALICE, które czułe są zwykłą materię i promieniowanie powstałe przy chłodzeniu się plazmy kwarkowo-gluonowej.

Dane są kompresowane kilkukrotnie do 170 GB na sekundę pracy detektora ALICE, tak by ułatwić ich przesłanie przez łącza sieciowe. Mimo to, łączna liczba danych zgromadzonych przez pięć tygodni zderzeń, odpowiadająca informacjom o 12 miliardach zderzeń, to aż 47,7 petabajta. Gdyby zbierać z taką samą dokładnością, czyli liczbą danych na kolizje, informacje o zderzeniach pojazdów na polskich drogach, to trzeba byłoby aż ponad pół miliona takich lat jak rok 2022, by osiągnąć tę samą liczbę kolizji w bazie danych.

Teraz fizycy skupiają się na przetworzeniu zebranych danych, ale możemy być pewni, że LHC jeszcze nie raz zachwyci nas nowymi rekordami. A o odkryciach w związku z niedawnym cyklem pracy LHC i ALICE dopiero usłyszymy, gdy wyklują się one ze zbioru analizowanych danych.