Mont Blanc z cédéček potřebuje dobré správce

Nadšení zástupci nejšpičkovějších fyziků světa před dvěma lety oznamovali v Evropské organizaci pro jaderný výzkum CERN, že se jim podařilo najít dlouho hledanou částici – Higgsův boson. Nemluvili samozřejmě o tom, že by ji někde viděli. Ale ani o tom, že by částici zaznamenal některý konkrétní přístroj. Konstatovali, že se jim podařilo prokázat existenci Higgsova bosonu díky složitým výpočtům založeným na nepředstavitelném množství dat nasbíraných při experimentech.

Šlo o triumf poznání, protože existence Higgsova bosonu je současně důkazem platnosti takzvaného standardního modelu částicové fyziky, který vědcům umožňuje lépe rozumět celému světu kolem nás. (O Higgsově bosonu viz Visions, zima 2013.) V příštích měsících se vědci v CERN pokusí o další, možná ještě převratnější objevy. Chtějí totiž pochopit, co to je takzvaná temná hmota vesmíru, jejíž existenci sice astrofyzikové předpokládají, ale nemají tušení, co by to mohlo být.

Energie se proměňuje ve hmotu

Objev Higgsova bosonu pochází z Velkého hadronového urychlovače (LHC), což je největší experimentální přístroj na světě. V kruhovém tunelu o délce 27 kilometrů se v hloubce 50 až 175 metrů pod švýcarsko-francouzskou hranicí u Ženevy srážejí při rychlosti blízké rychlosti světla svazky částic. Jsou to buď samotné protony, anebo jádra atomů olova složená z protonů a neutronů – tyto částice patří mezi takzvané hadrony, podle nichž urychlovač dostal jméno.

Srážky jsou řízeny tak, aby probíhaly v některém ze čtyř mnohatunových detektorů urychlovače. Energie se při srážce proměňuje v hmotu, vznikají nové částice, z nichž některé se ani v našem světě nevyskytují, protože zmizely krátce po vzniku vesmíru. Nicméně zdejší detektory by měly zachytit jejich projevy. A v záznamech o nich pak vědci hledají informace o vlastnostech nově vzniklých a často vzápětí zaniklých částic.

Dění v urychlovači hlídá přibližně 30 milionů senzorů, čímž se tento gigantický přístroj stává jedním z nejkomplikovanějších automatizovaných systémů na světě. Kromě čidel, jež sledují vlastní srážky částic, jsou tu také snímače, které kontrolují, že v trubicích, v nichž se svazky částic pohybují, je opravdu vakuum, dohlížejí na chlazení supravodivých magnetů i na správnou dodávku energie.

Pro vědce je podstatné, že za rok provozu se z urychlovače nabere 27 petabytů primárních dat určených ke zpracování. Tohle množství si můžeme představit tak, že kdyby se zapsala na cédéčka, byl by z nich sloupec převyšující nedaleký Mont Blanc.

Program napovídá nejlepším vědcům

Na tom, aby urychlovač LHC dobře běžel, se podílí i Siemens dodávkami řídicích systémů Simatic. Ty se obvykle používají v moderních průmyslových závodech. Na ropné těžební plošině jich bývá 5 až 20, v automobilce jich může být 50 až 100.

Na velkém hadronovém urychlovači Siemens v posledních 10 letech instaloval přes 600 těchto řídicích systémů. Jeden z nich například ovládá chlazení supravodivých magnetů pomocí kapalného hélia až na teplotu 2 kelviny neboli minus 271 stupňů Celsia. To je ještě o půl stupně méně, než je běžná teplota ve vesmíru. Řídicí systém při tom využívá údaje z 12 tisíc senzorů.

Přímo pro potřeby urychlovače LHC pak Siemens vyvinul speciální adaptivní diagnostický software.

„V minulosti, když systémy na urychlovači spustily varování, mohlo trvat až dva týdny, než se expertům podařilo přijít na jeho pravou příčinu,“ vysvětluje Manuel Gonzales Berges, který spolu s kolegy z CERN a ze Siemensu dozírá na řídicí systémy urychlovače. Nový software by to měl dokázat mnohem rychleji než lidé.

„Software testujeme od roku 2013 na archivovaných datech z minulosti a ukazuje se, že problém dokáže analyzovat obvykle do půl hodiny. Teď necháme program předpovídat příčiny možných problémů v reálném čase při novém náběhu činnosti urychlovače. A předpokládáme, že od roku 2017 jej budeme používat v širokém měřítku v pravidelném provozu,“ dodává Gonzales Berges.

Program se postupně učí na minulých problémových situacích identifikovat typické vzorce průběhu potíží, aby je mohl najít v reálném provozu ihned, jakmile se opět vyskytnou. „V podstatě musí program okamžitě správně interpretovat data, i když jsou obvykle v první chvíli neúplná, nespolehlivá a jejich návaznost je nejasná,“ popisuje Filippo Tilaro, počítačový vědec z CERN.

K tomu se přidává požadavek, aby program na diagnostiku potíží měl přijatelné intuitivní uživatelské rozhraní, s nímž dokážou vědci snadno a rychle pracovat, když budou třeba od systému dostávat návrhy, co dělat v případě vyhlášeného falešného poplachu.

Software ovšem nebude užitečný pouze pro CERN, ale i pro Siemens. „To, co se tady naučíme, určitě využijeme i v příštích programech pro průmyslové závody,“ konstatuje Thomas Hahn, jeden ze šéfů vývoje softwaru ve společnosti Siemens.

A teď na temnou hmotu

Začátkem roku 2013 se pokusy v urychlovači LHC plánovaně přerušily, zařízení procházelo kontrolou a rozsáhlou modernizací. Nové experimenty se pozvolna rozbíhají od letošního května. Srážky částic postupně dosáhnou až dvojnásobné energie oproti minulosti, v níž se podařilo prokázat Higgsův boson.

A co je na řadě teď? Generální ředitel CERN profesor Rolf-Dieter Heuer před časem při návštěvě Prahy připustil, že jej i jeho kolegy nesmírně láká pochopit, co to je temná hmota vesmíru.

To je totiž obrovská záhada, která nás obklopuje. Vědci ve vesmíru registrují gravitační působení čehosi, čemu se říká „temná“ nebo „skrytá“ hmota. A není to objemem nic zanedbatelného. Propočty totiž říkají, že veškerá viditelná hmota hvězd a těles, které odrážejí světlo, tvoří pouhá čtyři procenta celkové hmoty a energie vesmíru. Zhruba pětinu vesmíru pak tvoří temná hmota, která nevydává ani neodráží světlo ani jiná elektromagnetická záření. A celý zbytek vesmíru pak dotváří „temná energie“, o které taky není jasné, co by to mělo být.

Na temnou energii CERN přístroje nemá, ale na temnou hmotu ano – pokud ji tedy tvoří částice a pokud by se je zde v budoucnu podařilo objevit. To by byl ještě větší objev než všechno, co zdejší fyzikové už dokázali.