Dnes proběhne oficiální zahájení největšího vědeckého experimentu, který kdy člověk stvořil - urychlovače částic LHC. Událost, která se nesmazatelně zapíše do dějin, však kalí skutečnost, že samotný výzkum musel být kvůli poruše až do příštího roku přerušen - více zde. Slavnostní ceremoniál se přesto bude konat a s ním mnoho doprovodných akcí, kterých se v Praze můžete zúčastnit i vy - více zde.
Urychlovač částic je největším projektem výzkumného komplexu CERN, který by měl lidstvu přiblížit poznání o podstatě vesmíru. Ani vědci, kteří se na vzniku podílejí, však netuší, jaká překvapení experiment přinese. Nic podobného na světě totiž zatím neexistuje.
První částice začaly urychlovačem létat již před více než měsícem - více zde. Podařilo se vyslat první svazek částic ve směru hodinových ručiček (několik set oběhů) a druhý svazek ve směru opačném (obíhal po dobu několika desítek minut). Pak však kvůli poruše chlazení musel být urychlovač odstaven a nové spuštění se plánuje na první čtvrtletí příštího roku. Oficiální zpráva o výsledcích vyšetřování poruchy zde.
| Rozstřižena na dva díly |
|
Fotoreportáž jsme rozdělili na dvě části - v dnešním prvním dílu se podíváme do laboratoří, výpočetních a výzkumných center a exteriérů střediska CERN a jen nakoukneme do rozestavěných hal experimentu. Ve druhém díle se podrobněji podíváme na samotný urychlovač LHC, jeho funkci, komponenty a samozřejmě exkluzivní fotografie z experimentů. |
Redakce Technet.cz se do výzkumného komplexu exkluzivně dostala ještě během výstavby urychlovače, na konci léta 2007 - tedy v době, kdy jsme mohli nahlédnout do rozestavěných podzemních hal experimentů a prohlédnout si rozebrané komponenty urychlovače. V tuto chvíli jsou stavební a montážní práce hotovy, technologie ringu urychlovače smontovány a uloženy v tunelech. Průvodcem nám byl pracovník CERN, Ing. Daniel Valuch, Ph.D.
Nádherné místo pro vědecký výzkum
CERN je největší evropské výzkumné centrum pro jadernou fyziku. Nachází se kousek od Ženevy, přímo na hranici Švýcarska a Francie. Hranice prochází mezi laboratořemi, a tak jsou pracovníci laboratoře CERN i nejčastějšími "překračovateli" státní hranice.
CERN si nesmíte představit jako klasický areál Ústavu Akademie věd plný laboratorních budov a betonových prostranství. Naopak - je velmi rozlehlý, plný zeleně, nejlépe se po něm pohybujete autem či na kole a jednotlivé ulice se jmenují dle známých fyziků. "Sejdeme se na rohu Maxe Plancka a Feynmana" tak není žádná "geekovská šifra", ale zcela běžné dohodnutí místa srazu.
Ulice Marie Curie, za kterou se tyčí tři hotely pro ubytování studentů. Jeden z pokojů zde obsadila i naše výprava
Kromě laboratoří, vstupů do hal experimentů, velínů, přednáškových sálů, výpočetních center, elektrorozvoden a dalších zařízení potřebných pro chod celého komplexu se v areálu nacházejí i hotely, kde studenti a pracovníci bydlí, nebo také tři obrovské restaurace (a řada kantýn) s mnoha automaty s výbornou kávou, která, jak místní vědečtí obyvatelé rádi žertují, celé toto místo pohánějí.
Malebné pohraniční území při jízdě ze švýcarské do francouzské části CERN
Pod tímto trávníkem vede tunel urychlovače PS (Proton Synchrotron), k některým pracovištím se chodí po upravených chodníčcích
Studenti, profesoři, vědci - v CERN pohromadě
CERN nefunguje jako klasický výzkumný ústav se stálým počtem vědců a personálu. Stálými zaměstnanci jsou zde především ti, kteří zajišťují provoz, funkčnost a rozvoj výzkumného centra.
Samotní výzkumníci jsou většinou studenti a profesoři, kteří zde v rámci grantů zkoumají a řeší vlastní vědecké úlohy a problémy. CERN jako takový je pro ně "jen" špičkovým technickým zázemím, kde mají k dispozici veškerou potřebnou techniku, nejrychlejší připojení k internetu v Evropě, gigantickou výpočetní sílu a především zdroje elementárních částic, tedy urychlovače.
Lidé zde výzkumem žijí, je to jejich studium, práce a koníček zároveň. Potkat v sobotu ráno v jídelně profesora se studentem, jak nad velkými hrnky kávy a čerstvými croissanty debatují nad papíry zaplněnými rovnicemi a vzorci, není nijak vzácné.
V hlavní posluchárně CERN přednášeli všichni, kteří v moderní fyzice něco znamenají ...
... Stephen Hawking, Richard Feynman a mnoho dalších.
Působí tu vědci z celého světa, mezi kterými nechybějí ani odborníci z České republiky a Slovenska.
| Centrum pro mezinárodní společný integrovaný výzkum |
|
CERN funguje od roku 1956, založen byl jako centrum pro mezinárodní společný integrovaný výzkum. V roce 1991 se stalo součástí CERN i Československo, později byly přijaty samostatné státy ČR i SR. Účastnické země platí poplatky, výzkum je otevřený - nic, co se zde vytváří, nemá komerční ani tajný charakter. Veškerý výzkum se volně publikuje, nemůže se patentově vázat. Vznikl zde například i Word Wide Web (internet, tak jak ho známe) a CERN z toho v podstatě neměl ani korunu. V tuto chvíli se ale situace trochu mění, komerční firma může přijít, provést výzkum, nechat si data, ale zaplatí svazek a patřičnou část provozu laboratoří. Vše se vyvíjí v součinnosti s průmyslem a výzkumem členských zemí, čímž se také do členských zemí svým způsobem vracejí poplatky. Vedení CERN se tyto zakázky snaží rozdělit rovnoměrně podle výše investic. Spolupráce s průmyslem například znamená, že INTEL do CERN dodává předprodukční vzorky procesorů a motherboardů, které jsou pak v gridech podrobeny zátěžovým testům - vědci mají potřebný výpočetní výkon, firma otestované produkty. Rozpočtové peníze jednotlivých zemí jdou z ministerstev zahraničních věcí, ale konkrétní experiment dostane konkrétní rozpočet - CERN tedy poskytuje zázemí, trochu finančně přispěje na výzkum a ostatní si platí jednotlivé skupiny z grantů. |
Zázemí CERN
Celý výzkumný komplex je obrovský. Vždyť kruhový tunel urychlovače je dlouhý 27 kilometrů a vede podzemím pod vesnicemi, obytnými čtvrtěmi, nákupními centry, horami, poli a lesy nedaleko Ženevy. Že se pod zemí něco děje, napovídají mimo areál komplexu jen nevelké stanice hal jednotlivých experimentů.
CERN spotřebovává tolik elektrické energie, že musí být napájen ze dvou států - Švýcarska a Francie. Od elektrické sítě ho navíc musí oddělovat vyrovnávací zařízení, která kompenzují pulzní špičkové odběry, jež by jinak dokázaly celou rozvodnou soustavu poškodit.
Vše on-line a pod kontrolou
V předstihu před novým urychlovačem bylo postaveno zcela nové kontrolní a řídicí centrum. Prakticky každý přístroj v laboratoři CERN je napojen do sítě, má svoji IP adresu a lze jej na dálku monitorovat, kontrolovat a zpravidla i ovládat. Všechny tyto signály putují právě do kontrolního centra s nepřetržitým dozorem.
Pohled na půlku kontrolního střediska z prosklené konferenční místnosti.
Na LCD displejích podél místnosti jsou zobrazeny klíčové hodnoty ze všech urychlovačů a klíčových míst infrastruktury. Případné problémy lze ihned řešit z přítomných terminálů. Jednotlivé experimenty pak mají svá vlastní řídicí centra.
Na monitorech jsou schematicky vyobrazeny elektrické i datové rozvody spolu s informacemi o všech uzlech. Samozřejmě, lze je odtud řídit.
Výpočetní centrum: gigantický výkon a nejrychlejší internet
CERN je kolébkou internetu, zde Tim Berners-Lee položil jeho základy a rozběhl první webový server, který je dodnes umístěn v muzeu CERN i s fixem psaným nápisem "prosím, nevypínat".
Monitoring vstupů do prostoru urychlovače - vstupy jsou ovládané na dálku s několika stupni identifikace.
Vstupní brána do prostor urychlovače SPS (Super Proton Synchrotron) - stejná, jakou vidíte na monitoru na předchozím obrázku.
Každý zaměstnanec má vlastní elektronickou "badge" s identifikací a jasně vymezenými možnostmi vstupů. Jsou zde zaznamenány i doby pobytů v prostorách se zvýšenou radiací a systém dohlíží na nepřekračování bezpečných limitů expozice. Vstup do nového urychlovače LHC je zabezpečen ještě více - je nutná biometrická identifikace oční zornicí.
Panel vzdáleného otevírání bran včetně interkomu s videopřenosem.
Protože jednotlivé výzkumné skupiny komunikují se svými domovskými pracovišti a sdílí ohromná množství naměřených dat, disponuje nyní CERN nejrychlejším internetem v Evropě. Je součástí Evropské páteřní sítě a má přímé napojení na transatlantický podmořský datový kabel, se čtyřmi optickými linkami, vedený do Ameriky.
Při propojování jednotlivých center používá klasický TCP-IP protokol. Komplikací je zde jeho nedostatek - když ztratí paket, vyhodnotí to jako přetížení na lince a zpomalí celou síť, což je u tisíce kilometrů dlouhé trasy veliký problém. V CERN tedy optimalizují nastavení serverů a síťových prvků tak, že dosahují nejvyšších rychlostí, jakých je s TCP-IP možné dosáhnout.
Některé výzkumné skupiny zde pracují na úpravě přenosových algoritmů. CERN je součástí konsorcia Internet 2 a pořádá soutěže o přenos velkého množství dat na velkou vzdálenost co největší rychlostí. Vzhledem k výše uvedenému nepřekvapí, že CERN má vlastní linky, protože by jinak zahltil internet.
Veškerá elektronika má samozřejmě zálohovaný přísun energie, takzvané "Physic UPS" udrží v chodu celé centrum po dobu několika minut, pak přijde na řadu "Critical UPS" pro nejdůležitější služby. Nechybí ani dieselové generátory.
Pracovník monitoringu internetové konektivity (tzv. eXchange Piont) výpočetního centra
Zde se nachází hlavní datová křižovatka CERNu, denně tudy přes 10 Gbit routery protečou desítky terabytů dat
Výpočetní centrum se skládá z mnoha sálů zabírajících několik patrech a tvořících fantastické a zdánlivě nikde nekončící hučící bludiště. Jeho rozloha je na fotkách nevyjádřitelná - naživo je však překvapující.
V budově výpočetního centra se během let mění jen obsah - prošly tudy prakticky všechny historické technologie, od prapočítačů s děrnými štítky až po superpočítače. Z "historických“ technologií se uchovávají jen pásková média, protože jsou levná a dlouho vydrží čitelná.
V CERN bude po rozběhu urychlovače ročně vygenerováno 15 - 20 petabajtů dat, která je potřeba někam uložit. Jeden petabyte je 1000 TB, 1 TB je 1000 GB ... 20 petabytů si můžete představit jako 4,4 milionu klasických jednovrstvých DVD.
V tuto chvíli mají k dispozici datový prostor pro přibližně rok provozu. Pak se data přesouvají po internetových linkách do jiných center, v rámci gridu. Grid je, velmi zjednodušeně řečeno, skupina spolupracujících počítačů, které se navenek chovají jako jeden superpočítač.
Kromě špičkových serverů ve výpočetním centru pracovalo i zhruba 1 500 klasických PC zapojených do obřího gridu. Během letošního roku byly nahrazeny modernějšími stroji se zhruba desetkrát větší hustotou výpočetního výkonu na jednotku objemu - i takto lze demonstrovat technologický vývoj v CERNu. Operačním systémem je speciální ve středisku CERN vyvinutá verze Linuxu.
Obrovský Grid je vytvořen hierarchicky. Přímo v CERN je umístěna takzvaná TIER 0 úroveň - kam jdou surová data. Z nich data postupně odchází do po celém světě umístěných TIER 1 center skrze vlastní optické linky - celkem dvě - jednu "ostrou", jednu záložní.
Třetí úrovní jsou TIER 2 centra (některé výzkumné ústavy a pracoviště), která mohou k TIER 1 přistupovat pro data pro zpracování.
CERN se také podílí na vývoji Gridů. "LCG" je určen pro zpracování dat z LHC. Jsou do něj zapojeny počítače všech institucí spolupracujících s CERN. Po rozběhnutí LHC bude pro zpracování dat potřeba grid složený zhruba ze 100 000 současných počítačů.
OpenLab je aktivita IT oddělení CERN. Snaží se spolupracovat s velkými IT firmami, které dodávají nový hardware a software, a pracovníci CERN na nich používají Grid, čímž je velmi zatíží a tím naostro otestují. První 64bit Intel procesory byly testovány v CERN.
Pohled do robota IBM - motorické rameno automaticky dle čárových kódů vyměňuje kazety v mechanikách.
Během naší návštěvy byly testovány nové magnetopáskové roboty Storage TEK.
Hlavní rozvody jsou realizovány optickými kabely ...
... čtveřice z nich míří po mořském dně až do Ameriky.
Racky (stojany) s řídicí elektronikou pro internetový eXchage Point.
Racky naplněné servery tvoří dlouhé ulice ...
... v uličkách ústí výdechy klimatizace s celkovým chladicím výkonem 2,5 MW.
Některé prostory během naší návštěvy na zaplnění jen čekaly. V současné době jsou zcela zaplněné a osazují se počítači s celkovým počtem 18 000 procesorů. Zde jsou skříně se servery chlazené takzvaným "in-row" systémem s výdechem do klimatizace o patro výše.
Pohled z proskleného ochozu nad jednou ze serveroven. V pozadí jsou webové, mailové a databázové servery pro samotný provoz CERN, v popředí část výzkumných počítačů skupiny "OpenLab".
V počítačích patřících do "OpenLab" se testuje nový hardware a software. Testování v reálném, ale velmi náročném provozu je nejvhodnější.
V CERN se data ukládají na magnetické pásky. Každá pojme 700 GB dat a aktuálně jich je připraveno 6 000 - celková kapacita je tedy zhruba 5 petabajtů, což vydrží na 3 měsíce provozu LHC. Data z experimentů jsou velmi cenná, na páskách se trvale archivují k pozdějšímu zpracování.
Z vnější strany působí budova výpočetního centra velmi nenápadně. V horní modré části se nalézá technika klimatizace.
Elektrické rozvody: gigantický odběr ze dvou států
Neméně fascinující pohledy a čísla nabízejí elektrické rozvody, které napájí všechna pracoviště CERN. Jak již bylo vzpomenuto v úvodu, výzkumný komplex má příkon jako středně velké město - v dobách naší návštěvy byl na monitoru ve velínu zobrazen aktuální údaj o spotřebě s hodnotou 300 MW.
CERN je napojen na rozvody velmi vysokého napětí (400 kV) a má smlouvy s dodavateli ze Švýcarska i Francie. Pracuje ve zvláštním režimu, odběr je koordinován s aktuálními energetickými možnostmi dané země.
Před několika lety však během letních veder došlo k přetížení rozvodné soustavy ve Francii a CERN byl zcela přepojen na švýcarské sítě. Zde tak došlo také k přetížení, a proto byla nastartována čtveřice výkonných záložních dieselagregátů. Z různých příčin se dva nerozjely vůbec, třetí měl během několika desítek sekund poruchu a poslední přetížením shořel o několik minut později - a CERN se zcela ponořil do tmy. Obnovení provozu a nastartování všech systémů trvalo čtrnáct dní. V současné době je celé záložní napájení po kompletní rekonstrukci a je pravidelně testováno - k obdobnému výpadku by již nemělo dojít.
Za rozvodnou již vidíte začátek pohoří Jura a malebnou přírodu.
Obrovské nádrže s naftou pro záložní dieselové napájení klíčových částí výzkumného komplexu.
Gigantické pasivní L-C (indukčnost a kapacita) obvody pro kompenzaci (vyhlazování) pulzního odběru CERN. Urychlovač totiž energii neodebírá kontinuálně, ale v krátkých a velmi rychlých impulzech - což by vedlo k "rozkmitání" rozvodné sítě. Takto je odběr kompenzován tak, že "navenek" má CERN víceméně konstantní odběr.
Pohled na elektrický distribuční systém, v popředí jeden z transformátorů s olejovým chlazením. Jeho velikost můžete srovnat s výškou oplocení - bylo vyšší než dospělý člověk.
Celý prostor elektro-rozvodny je oplocen a výstražné tabulky zakazují přístup lidí s instalovaným kardiostimulátorem. Elektrické pole je v některých místech velmi silné.
Nahlédnutí do laboratoří
Laboratoře v CERN jsou unikátní tím, že velká část použitých přístrojů a technologií je jejich vlastního vývoje a výroby. Specifické výzkumy a potřeby to vyžadují.
Stěny laboratoří jsou vybaveny racky, které umožňují prostorově úsporné modulární skládání potřebných zařízení - v racku jsou připraveny patice s napájením a datovou konektivitou. Nový modul stačí jen zastrčit do racku a vhodně nakonfigurovat. Nestandardní či dočasné propojení se provádí kablíky z vnější strany.
Příklad standardizovaného modulu osazeného specifickými obvody vlastní konstrukce.
Pohled na desku tištěných spojů (na jejich výrobu zde mají vyhrazenu jednu laboratoř) během vývoje - mimo integrovaných obvodů je zde ručně postupně připájeno mnoho samostatných součástek a drátových propojek. Podle výsledku se upraví osazení a konfigurace desky, finální produkt je již bez dodatečných úprav.
Finální deska vysokofrekvenčního obvodu připravená pro vložení do modulu. Dnes již slouží pro provoz LHC.
Stojan v laboratoři našeho průvodce Daniela Valucha, ve kterém testuje nově vyvinuté obvody.
Stroze technický pohled na technické zázemí jednoho z urychlovačů ...
... a podstatně romantičtější "noční" pohled.
Co je to vlastně urychlovač?
Urychlovač je zařízení, ve kterém se pohyb elementární částice, nejčastěji protonu, urychlí natolik, že se po srážce s pevným terčem či jiným protonem rozpadne na ještě elementárnější prvky.
Pohled na jeden smontovaný díl měřící části experimentu CMS (Compact Muon Solenoid) před spuštěním do hloubky haly tunelu. Skrze jednotlivé vrstvy poletí částice vzniklé při srážce a přístroj bude zaznamenávat jejich pohyb a chování. Kilometry kabelů, železné pláty pro zpomalení částic, foto a elektrocitlivé vrstvy, miliony zesilovačů a senzorů .. celkem 14 000 tun hmotnosti.
Obrovská energie nárazu uvolní jinak samostatně se nevyskytující částice, jejichž chování a vlastnosti se poté zkoumají, případně se využívají k jiným experimentům.
V hale experimentu 100 metrů pod zemí. Rozestavěný detektor CMS, v popředí je vidět hlavní supravodivý solenoidní magnet experimentu.
Právě urychlovače částic, které dokážou generovat elementární částice a záření, jsou nejdůležitější a také nejznámější součástí střediska CERN. Podrobnou fotoreportáž ze stavby a vysvětlení funkce urychlovače přineseme za měsíc exkluzivně na Technet.cz.
Detailnější pohled na díl měřicí části.
Další díl měřicí části - bude nasazen na "prstenec" na levém obrázku.
| Příště: Fotoreprotáž z výpravy do podzemních hal experimentů, exkluzivní záběry z montáže gigantických komponent LHC a vysvětlení funkce urychlovače. A navíc soutěž o dárky, které jsme pro Vás přímo z CERN přivezli! |
