Zara new

Yuriy Ilchenko / 28 декабря 2014, 17:55

Важность научных коллабораций или кто на самом деле открыл Хиггс бозон


В научной сфере жизни, двадцать первый век — это век научного сотрудничества, или, как еще можно сказать, научной коллаборации. Существующие коллаборации достаточно сильно варьируются по своим параметрам. Они бывают маленькие — около десяти человек, или достаточно большие, измеряющиеся тысячами человек. Коллаборации существуют в разных областях научного знания: физике, астрономии, биологии, медицине и других. Все чаще появляются междисциплинарные и интернациональные объединения ученых. Современный научный прогресс теперь во многом ассоциируется с эффективностью той или иной научной коллаборации.

В октябре этого года журнал Nautilus опубликовал статью — «Кто на самом деле открыл Хиггс бозон». На конкретном примере коллаборации АТЛАС, в статье описывается важность научного сотрудничества, его принципы, функционирование и перспектива дальнейших открытий. Ниже мы представляем вам авторский перевод этой статьи.

 

Кто на самом деле открыл Хиггс бозон?

Модель АТЛАС детектора собранного из деталей конструктора LEGO.
 Фото: © Laura Vanags


Тем кто полагает, что гению больше нет места в современной науке так как все уже открыто, Фабиола Джанотти может дать очень резкий ответ, — «Нет, это абсолютно не так». Так считает бывшая глава коллаборации АТЛАС (англ . — ATLAS Collaboration), самого большого детектора элементарных частиц на Большом Адронном Коллайдере (БАК) (англ . — Large Hadron Collider (LHC)). «До 4 июля 2012 года (прим. ред. —  день, когда были представлены результаты работы по поиску бозона Хиггса) у нас не было никаких свидетельств того, что в природе существует элементарное скалярное поле. Для гениальности по-прежнему есть много места.»

Фабиола имеет ввиду открытие Хиггс бозона два года назад, потенциально одного из наиболее важных достижений за последние полстолетия. Это открытие доказывает существование одноименного поля, поля Хиггса, пронизывающего все наше пространство, и завершает Стандартную Модель — физическую теорию, которая описывает существование и поведение буквально всего, что нас окружает.

Согласно любым стандартам это эпохальное и гениальное открытие.


Королевская семья Швеции принимает лауреатов Нобелевской премии: Питера Хиггса (третий слева)
 и Франсуа Энглерта (третий справа).

  Фото: © Alex Ljungdahl / Nobel Media AB 2013


Что менее понятно, так это кто является гением в этой истории. Наиболее подходящий кандидат это Питер Хиггс, постулировавший существование бозона как следствие Брут-Энглерт-Хиггсовского механизма в 1964 году. В 2013 году вместе с Франсуа Энглертом он был награжден Нобелевской Премией (Энглерт и его покойный коллега Роберт Брут получили независимо те же самые результаты, что и Питер Хиггс). Но означает ли это что именно Питер Хиггс является гением? Первый руководитель коллаборации АТЛАС и один из её основателей, Питер Дженни, всегда смущается когда ему задают этот вопрос.

«Они [Хиггс, Брут и Энглерт] не считали, что работают над чем-то столь же грандиозным как эйнштейновская теория относительности», — осмотрительно говорит Питер Джени. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии, которое приводит к появлению Хиггс бозона «было конечно сложной задачей, но Эйнштейн видел что-то принципиально новое и таким образом совершил прорыв в целой области. Питер Хиггс мог бы вам рассказать, что работал над своей задачей всего несколько недель».

Как тогда быть с руководителями экспериментальной работы, которые управляли миллиардными инвестициями, тысячами физиков и инженеров, а также бесчисленным количеством студентов из около 40 стран мира за последние три десятилетия? Кто-то, несомненно гениальный, управлял этой армией работников. Кто-то, кого мы могли бы выделить за этот выдающийся вклад?

«Абсолютно нет», — с твердостью утверждает Джанотти, — «Инструменты, которые мы создали, настолько сложны, что изобретательность и креативность проявляют себя в ежедневной работе. Существует огромное количество проблем, для решения которых необходимо чтобы гениальность и креативность пропорционально распределялась по времени среди большого количества людей.»

Научный прорыв часто воспринимается как достижение некоего гениального ученого. Однако, такое представление полностью противоречит фундаментальному устройству современной науки, а именно, всевозрастающей тенденции объединения ученых в научные коллаборации. Открытие Хиггс бозона как раз и обнаружило такое раздвоение. Был показан разительный контраст между славой, которую обрели лауреаты Нобелевской премии с одной стороны, и анонимностью научных коллабораций, которые сделали это открытие возможным, с другой.

Антипатия к идее выдающегося ученого пронизывает всю АТЛАС коллаборацию. Образно говоря, это часть её ДНК. Почти все решения коллаборации принимаются соответствующими группами, такими как Совет институтов, Совет коллаборации, а также множеством комитетов и специальных комиссий. Консенсус — определяющее слово в коллаборации. Даже фактическая должность директора коллаборации, которую Джанотти занимала с 2009 по 2013 год, называется «представитель». Она представляла коллаборацию, а не командовала ею.

Для АТЛАС коллаборации коллективный подход, или как часто его называют коллаборативный, является ключевым еще вот почему. Он позволяет не заострять внимание на исключительности отдельных индивидуумов и,  таким образом, даёт возможность всем участникам коллаборации в той или иной степени ощущать свою причастность к проводимым исследованиям. Почти три тысячи фамилий находятся в списке авторов ключевых научных статей опубликованных коллаборацией. Зачастую, список авторов занимает столько же страниц сколько и основной текст статьи.

 

Одна из статей опубликованная коллаборацией АТЛАС в 2010 году содержит
 40 страниц, десять из которых составляют список авторов.

  Фото: © Nautilus Science Magazine


На более практическом уровне, коллаборативный подход позволяет избежать определенных научных предубеждений в интерпретации собранных данных. «Почти все, что мы делаем, так или иначе, подразумевает минимизацию влияния предубеждений в наших исследованиях», — утверждает Керстин Такманн, лауреат Премии Молодого Ученого в области физики элементарных частиц, а также член группы исследователей по поиску Хиггс бозона при его распаде на два фотона. Как и другие физики, Такманн разговаривает очень стесняясь, делая при этом ряд оговорок. Тем не менее, когда разговор касается важности устранения научных предубеждений, она ведет себя очень уверенно.

«В наших исследованиях, мы не работаем с реальными данными до самого последнего этапа», — объясняет Керстин. После того, как инструменты анализа данных созданы — в основном, это алгоритмы и программное обеспечение, — они используются на реальных данных. Такой процесс называется раскрытие данных. «Как только мы применили наши алгоритмы на реальных данных, мы больше не имеем права ничего в них менять», — утверждает Такманн. На данном этапе, любые изменения в нашем исследовании могут привести к определенной предвзятости. Наличие «раскрытых» данных может соблазнить физиков скорректировать свой анализ в пользу конкретной теории, которую они пытаются найти. В самом худшем случае, это может привести к абсолютно неверным научным результатам. Способность молодого физика искать те или иные физические процессы по сути ограничено такой процедурой: ученый не видит реальных данных до самого конца своего анализа, и,  кроме того, любой анализ данных независимо проверяется другими учеными коллаборации.

Такая коллективная дисциплина является для коллаборации одним из способов, который позволяет «обуздать» сложность данных получаемых с детектора. В «сырой» форме эти данные настолько объемны, что записав их на DVD, и сложив диски в пачку, можно достать до Луны и обратно — и так десять раз в год. В конечном итоге, записаные данные должны быть реконструированы во что-то наподобие «фотографии» индивидуальных столкновений, такой процесс во многом аналогичен обработке RAW данных, или как их еще называют «сырых» данных, полученных с цифровой камеры.

Но последующая идентификация частиц как результата столкновений стала намного более сложной процедурой. Во времена «сканирующий девушек» и негативов пузырьковых камер, ученые самостоятельно садились за увеличенные изображения столкновений и определяли разные частицы по их трекам: линиям и спиралям на слайдах. Сейчас же экспериментаторам необходимо иметь фундаментальные знания внутренного устройства всех подсистем: пиксельного детектора, кремниевого трекера, трекера на переходном излучении, мюонной системы и двух калориметров — адронного и электромагнитного. Настройка электроники в каждой из подсистем, например регулирование коэффициента усиления или изменение порога чувствительности, может привести к отсутствию или, наоборот, появлению сигнала, который выглядит как реальные физические данные, на самом деле не является таковыми. Понимание того, что может приводить к ошибочному или отсутствующему сигналу, и как это должно быть учтено в последующих расчетах, является наиболее сложной и креативной частью процесса идентификации частиц. «Есть некоторые люди, которые очень талантливы в этом отношении, и поэтому отлично справляются с такой задачей», — говорит Такманн.

Но и этот процесс не статичен: со временем из-за радиационного поражения и так называемого «старения» свойства детектора меняются. Это требует постоянной корректирующей работы в процессе идентификации частиц. Также, по анализу данных никогда не останавливается процесс улучшения программного обеспечения. В нем постоянно требуется огромное участия человека. Например, анализом одного относительно простого канала распада Хиггс бозона на два фотона занималось около ста физиков! Всего же в поиске Хиггс бозона участвовало более чем 600 физиков.

Необъемлемая широта экспериментальной подготовки приводит к тому, что открытие становится чем-то распределенным и даже анонимным. Такая анонимность, на самом деле, уже институционализирована в культуре АТЛАСа. Маруми Кадо, молодой физик c взъерошенными волосами и тихим голосом, был одним из председателей группы объединённого анализа (прим. ред. — группа, которая объединяет похожие исследования статистическим методом), которая в конечном счете достигла необходимого уровня статистической значимости и подтвердила существование Хиггс бозона. Но,  как и типично для всей АТЛАС коллаборации, в свете всей сложности предыдущей работы, Маруми не предает особой важности этому последнему шагу, то есть заключительному статистическому анализу. «Завершающий этап, на самом деле, был очень прост.», — говорит он,  — «Наибольшая сложность состоит в том, как вы построили свой детектор, как точно откалибровали его, и то,  насколько хорошо детектор был спроектирован с самого начала. Все это заняло 25 лет.»

Коллаборативная модель работы в АТЛАСе нацелена не только на инновации в физике и инженерии, она также необходима для инноваций в стиле управления коллаборацией и её корпоративной культуре. Дональд Маршанд, профессор кафедры исполнения стратегий и информационного менеджмента в Международном институте управленческого развития в Лозанне, описывает сотрудничество в АТЛАСе как использующее такую модель коллективной работы, которая противоречит общепринятой каскадной — то есть с верху вниз — теории управления.

В середине 2000-х Маршанд провел исследование, которое показало что управление АТЛАС коллаборацией не приводит к наделению властными полномочиями, а если и приводит, то только в самой минимальной степени. Большинство людей в коллаборации работают под руководством исследователей, которые никак не связанны непосредственно с научным институтом, который платит им зарплату. Так, например, во время строительства АТЛАС детектора, руководитель проекта пиксельной подсистемы, одной из наиболее задействованных подсистем в сборе данных, работал на американскую лабораторию в штате Калифорния. Его непосредственный подчиненный, главный инженер проекта, работал на научный институт в Италии. И не смотря на то,  что руководитель проекта играет ключевую роль в процессе сборки подсистемы, он не имеет никакой власти, чтобы продвигать, дисциплинировать, или хотя бы оценивать работу главного инженера. Его властные возможности сводятся лишь к обсуждениям, переговорам и поискам компромисса. В такой среде, члены коллаборации скорее чувствуют себя работающим с кем-то, а не для кого-то.

 

Объединение ученых в коллаборации стало залогом успешности и эффективности
 научных исследований.
Изображение: из открытых источников


Похожим образом осуществляется и финансирование эксперимента разными странами — вместо официальных контрактов стороны подписывают Меморандум о взаимопонимании. В свою очередь, от главы коллаборации и её главных руководителей требуется следовать политике ответственного управления — скорее присматривая за коллаборацией нежели чем непосредственно руководя ею. Если некоторые члены коллаборации отстраняются от нее, это приводит к потере финансовых и человеческих ресурсов, которые они инвестировали. Управление коллаборацией на любом уровне требует нахождения нетрадиционных путей для создания стимулов, дисциплины и обеспечения обратной связи с подчиненными.

Обсуждение за чашкой кофе — это один из путей, ставший основным способом для проведения небольших ежедневных переговоров, которые позволили коллаборации успешно функционировать. Сегодня по всей территории ЦЕРНа расположены своеобразные café, которые с утра и до вечера заполнены людьми участвующих в неформальных встречах. В главном же кафетерии можно часто увидеть физиков, работающими за своими ноутбуками целыми часами, проводя таким образом время между встречами. АТЛАС менеджмент создал «безопасную гавань, такую культуру внутри организации, которая позволяет сотрудникам открыто выражать свое мнение, разрешать споры и конфликты без раздражения», — говорит Маршанд.

Результат такого подхода удивительно гибкая и эффективная структура управления. Руководители коллаборации неизменно попадают в лучшие 5% по шкале, которая измеряет как они контролируют, передают и накапливают информацию в своей организации. Маршанд также обнаружил, что структура управления АТЛАСом эффективно приспосабливается к изменяющимся обстоятельствам, временно переключаясь на более классический подход управления «сверху-вниз», как например, во время стадии производства, когда необходимо создать тысячи идентичных объектов (частей детектора) по всему миру.

Такая культура совместной работы не возникла сама по себе. Согласно Маршанду, она была встроена в АТЛАС с самого начала. Основатели, которые стояли у истоков эксперимента, распространили коллаборативную этику среди новых сотрудников путём избегания оценки личного вклада, обсуждения конфликтных ситуаций лицом к лицу, и ведения переговоров по любому вопросу на открытых заседаниях. Но такая этика нигде не закреплена, и не существует никакого Кодекса поведения описывающего её. Тем не  менее, почти религиозно, она принимается каждым членом коллаборации.

Дональд Маршанд (слева) дискутирует с президентом Международного олимпийского
 комитета Жаком Рогге (справа) во время школы-программы Orchestrating Winning
 Performance (OWP).
Фото: © IMD Business School

 

У ученых в коллаборации сформировался достаточно скептический подход к признанию важности индивидуального вклада. Каждая научная статья включает всех членов эксперимента, а все научно-популярные публикации подписываются от имени «Коллаборация АТЛАС». Люди с подозрением относятся к тем, кто привлекает особое внимание к своему вкладу в средствах массовой информации. Многие с большим сомнением смотрят на известного коллегу — бывшей рок-звезды, а сейчас ведущего научно-документального телесериала «Горизонт» на канале БиБиСи. Он воспринимается членами коллаборации как привлекающий к себе слишком много внимания благодаря связи с экспериментом.

В поиске гения на АТЛАСе, или других экспериментах в ЦЕРНе, оказывается невозможным указать на кого-то конкретного кроме самих научных коллабораций. Больше чем любой индивидуальный ученый, включая физиков-теоретиков, которые предлагают новые теории, или экспериментаторов, которые основали современные опытные установки, только научные коллаборации имеют все признаки гениальности: изобретательность, упорство, объективность и успех.


Процесс установки Вставляемого Б-слоя внутрь АТЛАС детектора.
Фото: © ATLAS Experiment 2014


Результаты говорят сами за себя: первую поставленную цель АТЛАС выполнил всего за одну десятую времени своего предполагаемого функционирования. Сейчас АТЛАС продолжает развиваться крайне коллаборативным путём. Названный «Вставляемым Б-слоем» (англ . Insertable B-Layer (IBL) ),  новая подсистема детектора была предложена специальной комиссией АТЛАСа, сформировавшаяся на последней стадии запуска детектора в строй в 2008 году. Примечательно, что изначальной целью комиссии была задача описать невозможность установки нового слоя детектора в 9-миллиметровый зазор между пиксельной подсистемой и вакуумной трубкой ускорителя.

Вместо этого, будучи неисправимыми оптимистами, члены комиссии выработали дизайн, который в результате привел к полноценному проекту. И хотя сам IBL немногим длинней обычной коробки из под обуви, более 60 институтов из разных частей света участвовали в его создании. Поучаствовать в разработке и постройке этой уникальной подсистемы желал каждый. Работа по установке IBL в самое «сердце» АТЛАСа заняла всего два часа и была выполнена без малейших задержек. Это при том, что зазор между подсистемами составлял всего доли миллиметра вдоль 7-ми метровой вакуумной трубки коллайдера.

Для гения все ещё есть много новых возможностей. Так, например, Фабиола Джанотти указывает на проблему тёмной материи. «Вселенная состоит на 96 процентов из тёмной материи. Эта материя не взаимодействует с нашими инструментами, и мы абсолютно не знаем из чего она состоит», — утверждает Джанотти, — «Поэтому по-прежнему существует много свободного места для проявления гениальности.» Но только эта гениальность может быть не результатом работы одного ученого с всклокоченными волосами и мелком или паяльником в руках, а результатом сотрудничества многих тысяч человек.

Оригинал публикации: Who Really Found the Higgs Boson

 

Распечатать

Пост размещён сторонним пользователем нашего сайта. Мнение редакции может не совпадать с мнением пользователя



<img src=/i/fb.gif class=fbico> Serge Dibrov
Да уж, создание творческого научного коллектива такого размера и обеспечение его эффективной работы — задача вполне ЦЕРНовского уровня :) 
   Ответить    
Радуюсь
А вот тут можно погу[г]лять по коллайдеру ))
Views — GoogleВ Maps
   Ответить    
Радуюсь
п.с. Одно из забытых чудес СССР))
Адронный коллайдер [Ускорительk Москва
   Ответить    
<img src=/i/fb.gif class=fbico> Yuriy Ilchenko
И, в принципе, топ-кварк мог бы быть открыт именно на этом ускорителе (если бы конечно его построили + детекторы + коллаборации и т.д). Но, как известно, история не терпит сослагательного наклонения. :) 
   Ответить    
Радуюсь
да уж… с историей и сослагательным наклонением прям беда какая-то..)
If my aunt had been a man, she'd have been my uncle.. ;) 
   Ответить    
Радуюсь
Кстати, Фабиола Джианотти первая женщина, которая  возглавит Европейскую организацию по ядерным исследованиям. А она между прочим- профессиональная пианистка, и в свое время собиралась (могла БЫ стать :)) полностью посвятить свою жизнь музыке.
   Ответить    
   Правила

Записи в блогах:
20 сентября 0 комментариев  
19 сентября 10 комментариев  
18 сентября 12 комментариев  
17 сентября 24 комментария  
17 сентября 1 комментарий  
17 сентября 2 комментария  
17 сентября 0 комментариев  
16 сентября 65 комментариев  






Адвокат Оксана