CERN. Co się dzieje z informacjami z akceleratora?

Protony? Ciemna materia? To wszystko abstrakcja. Tak naprawdę Wielki Zderzacz Hadronów to potężna maszyna do generowania gigantycznych ilości danych. Jak radzi sobie z nimi CERN?

Tunel ma 27 kilometrów długości. Choć został zbudowany przed laty dla potrzeb innego urządzenia, dziś wypełnia go Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) - olbrzymia i kosztowna machina z systemami chłodzenia ciekłym helem i imponującymi detektorami ukrytymi w samym tunelu oraz w czterech wielkich podziemnych halach.

Wciąż tylko z połową mocy

Gdy zwiedzałem tunel akceleratora i podziemne hale detektorów, wciąż trwała budowa. I prawdę mówiąc, to właśnie wtedy cały system robił na laiku największe wrażenie - hale detektorów z barwnymi wiązkami przewodów, kolorowe elementy czujników i uwijający się między tym wszystkim technicy. Potem roboty zakończono, protony ruszyły, windy przestały zwozić ludzi i dziś nie ma już czego oglądać.

Teraz życie przeniosło się gdzie indziej - tam, gdzie spływają dane generowane i zbierane przez Wielki Zderzacz Hadronów. A jest ich niewiarygodnie dużo.

- To są dziesiątki gigabajtów na sekundę - mówi doktor Hubert Niewiadomski, informatyk pracujący w CERN w zespole TOTEM. - Jak przetwarzać te dane? To stanowi dla nas od lat wielkie wyzwanie.

Dziś akcelerator wciąż pracuje tylko na połowie mocy. W tym roku i przez cały kolejny energie rozpędzanych cząstek nie osiągną jeszcze przewidywanego maksimum. Potem nastąpi przerwa techniczna, podczas której inżynierowie wymienią lub uzupełnią sprzęt. Zderzenia z pełną mocą planowane są na rok 2014, ale być może przesuną się jeszcze bardziej w czasie, bo przy takim projekcie opóźnienia (i lawiny nieprzewidzianych kosztów) są niemal wpisane w kalendarz.

Tymczasem naukowcy uważają, że nawet przy połowie mocy urządzenie dostarcza mnóstwa ciekawych danych, więc jej zwiększenie zostawiają na później. W trakcie odbywającej się pod koniec lipca konferencji badacze z CERN ogłosili wyniki dotychczasowych obserwacji. Udało się im między innymi bardzo dokładnie zważyć ciemną materię. Uzyskali też tajemnicze, wymagające jeszcze doprecyzowania wyniki, które dają nadzieję na odkrycie upragnionego bozonu Higgsa. Bardzo podobne wyniki uzyskali Amerykanie z konkurencyjnego Fermilab pod Chicago. Oba zespoły cieszą się, że efekty ich badań się pokryły - co zbliża naukowców do potwierdzenia istnienia hipotetycznej cząstki - i entuzjastycznie zapowiadają świt nowej fizyki.

- Choć wciąż za wcześnie na największe odkrycia, uzyskaliśmy już bardzo interesujące wyniki - oznajmił z dumą Rolf Dieter Heuer, dyrektor generalny CERN. - Zebraliśmy więcej danych, niż zaplanowaliśmy na cały rok - dodał.

Najwyraźniej pod ziemią dzieją się rzeczy znacznie ciekawsze niż szykowanie czarnej dziury, która pochłonie całą planetę. Czarne dziury, dziwadełka i maszyny czasu, które teoretycznie mogą powstawać w CERN, wywołały u wielu ludzi histerię narastającą wraz z przygotowaniami do pierwszego uruchomienia LHC. Fizycy długo i cierpliwie tłumaczyli, że czarna dziura nie pochłonie planety, bo będzie zbyt mała i natychmiast wyparuje. Wyjaśniali też, że kosmiczne cząstki z większą energią uderzają co chwila w Ziemię, a fizycy chcą spokojnie zmierzyć to wszystko w sterylnych i kontrolowanych warunkach laboratorium. Powstała nawet strona internetowa z lakoniczną odpowiedzią na pytanie, czy Wielki Zderzacz doprowadził już do zagłady Ziemi (hasthelargehadroncolliderdestroyedtheworldyet.com).

Sens tego olbrzymiego eksperymentu - planowanego od dekad i rozpisanego na kolejną dekadę - jest zbyt złożony, by opisać go bez wyższej matematyki. Naukowcy szukają odpowiedzi na pytania dotyczące poprawności obowiązującego modelu fizyki i tak zwanej ciemnej materii. Poza czarnymi dziurami do kultury popularnej przedostała się także antymateria. W ostatnich miesiącach badaczom rzeczywiście udało się już wielokrotnie schwytać odrobinę antycząstek, które jednak utrzymywały się w magnetycznej pułapce bardzo krótko. Naukowcy próbują gromadzić coraz większe porcje antymaterii, które, uciekłszy z pułapki, anihilują potem w jasnych błyskach. Jest jeszcze plazma kwarkowo-gluonowa i mnóstwo innych produktów zderzeń, które przewidziała fizyka. Plus, być może, coś, czego jeszcze nie przewidziała.

27 kilometrów próżni zimniejszej niż Kosmos


Czytaj w Next również o synchrotronach: Fizyka nie z tego świata

Kosmiczne technologie rozpędzania cząstek, zakrzywiania ich toru za pomocą nadprzewodzących elektromagnesów, detekcja zderzeń z użyciem nieprzeliczonych czujników czy chwytanie antymaterii w pułapkę magnetyczną - ocierające się o magię osiągnięcia fizyków możliwe są dzięki przetwarzaniu ogromnych ilości danych generowanych przez złożoną machinę LHC.

Jak to wszystko działa? Na powierzchni, w stosunkowo niewielkim akceleratorze liniowym, protony (czyli ogołocone z elektronów jądra wodoru) rozpędzane są i wstrzeliwane do akceleratora kołowego (czyli synchrotronu). Z tej maszyny jeszcze bardziej rozpędzone "paczki" protonów trafiają pod ziemię, do kolejnego supersynchrotronu. Dopiero wówczas - z olbrzymią prędkością - wpadają do głównego urządzenia.

Tam znajduje się 27-kilometrowy tunel i rury z próżnią doskonalszą (i zimniejszą) niż w przestrzeni kosmicznej. Protony krążą w przeciwne strony w obu równoległych rurach, by zderzać się w kilku precyzyjnie wybranych miejscach na tej trasie. Wokół punktów, w których następują zderzenia, rozlokowano najrozmaitsze czujniki.

Dziesiątki MB na sekundę

Dane z czujników trafiają do komputerów CERN. Ile jest tych informacji? Kilka lat temu przedrostki tera oznaczające 10 do 12. potęgi robiły jeszcze wrażenie. Wraz z rozwojem szybkiego Internetu, wypełnionego multimediami w jakości HD, duże liczby szybko się dewaluują. Ale zaprojektowany wiele lat temu LHC wciąż zasługuje na szacunek. Pochodzące z niego dane wraz z niezbędnymi symulacjami rocznie mogą zająć 15 petabajtów, czyli tysiące razy więcej niż pomieści terabajtowy dysk. Nie zdjęć i filmików, ale informacji, które fizyk musi przeanalizować.

Zderzeń może być nawet 600 milionów na sekundę. Akcelerator - nie licząc przerw technicznych - ma pracować całe lata. Powstające tam dane trafiają do centrum komputerowego CERN, które ma dwa podstawowe zadania - zgromadzić je i wstępnie przeanalizować, czy pod ziemią wydarzyło się właśnie coś ciekawego.

80 procent obliczeń

Człowiek nie jest w stanie ogarnąć terabajtów informacji. W pewnym sensie odkryć dokonują więc komputery. Specjalne systemy filtrują zarejestrowane w detektorach zderzenia, wybierając te ciekawsze. Analizą wybranych zajmują się potężne komputery zainstalowane w centrum komputerowym CERN. Ale tylko jedna piąta mocy obliczeniowej jest w użyciu. Tysiące lokalnych komputerów wspomaga w pracy LHC Computing Grid - system rozproszonych obliczeń działający dzięki szybkim łączom internetowym i dodatkowej, kosztownej sieci światłowodów. Łączy ona CERN z ośrodkami akademickimi na całym świecie.

Naukowcy intensywnie modyfikują pytania, które chcą zadać naturze za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów. W związku z tym programy komputerowe też ulegają przekształceniom, a odłożona w czasie do 2013 roku przerwa techniczna będzie oznaczać wymianę wielu detektorów, przyrządów elektronicznych i oprogramowania. Naukowcom nie wystarcza już zamiana pomysłów na algorytmy w oparciu o darmowe licencje Open Source. CERN wspiera inicjatywy Open Hardware, czyli otwartych i darmowych projektów sprzętu.

- Przez lata od chwili zaprojektowania dotychczasowych technologii zdążyliśmy już wymyślić nowe i chcemy je wypróbować - wyjaśnia mi Hubert Niewiadomski.

W CERN pracuje wielu Polaków. Ci, którzy oprowadzali mnie po laboratorium, powtarzali w windzie żarty z "Seksmisji": "Tylko dlaczego jedynka jest na dole?". Państwowa Agencja Atomistyki współfinansuje eksperyment, więc wiele naszych uczelni deleguje tam swoich badaczy - nie tylko fizyków, informatyków i inżynierów, ale też na przykład lekarzy, którzy wykorzystują technologie powstające w CERN w medycynie. Inni Polacy - jak mój rozmówca - zatrudniają się tam niezależnie od uczelnianych kontyngentów. Przy jednym z "mniejszych" detektorów LHC Hubert Niewiadomski zrobił doktorat i nadal ma wiele pracy. A w niedziele gra na organach w kościele świętej Teresy w Genewie.

Z każdym dniem jest coraz więcej do przetwarzania. LHC nie zbliża się jeszcze nawet do największego strumienia najciekawszych zderzeń z maksymalnymi energiami. A fizycy nie wyrzucają raz przejrzanych zapisów z dotychczasowych kilkunastu miesięcy i nie będą wyrzucać kolejnych. Gromadzą je.

Służy do tego między innymi specjalna biblioteka taśm magnetycznych. Znacznie wolniejsze od dysków twardych kasety zrobiły na mnie dziwne wrażenie. Przechowywane w ten sposób dane są jednak bezpieczniejsze. A o dostęp do nich trzeba poprosić robota bibliotekarza. Zdalnie. Bo do centrum komputerowego naukowcy nie wchodzą osobiście z zamówieniem. Od tego jest przecież sieć.

Na roboty można popatrzeć przez szybkę, ale tym nie zajmują się fizycy, tylko dziennikarze na wycieczce.

Oczywiście dane z CERN powielane są w ośrodkach badawczych współtworzących Grid. Taśmy na miejscu to tylko jeden z kompletów zgromadzonych danych.

Nadciągają chmury - jakżeby inaczej

Problem z szybko starzejącym się sprzętem - zwłaszcza elektronicznym - również dawał o sobie znać, zwłaszcza że budowa i uruchomienie akceleratora się opóźniały. Starość szybko dotyka systemy komputerowe, ale też detektory i urządzenia przesyłające dane spod ziemi.

- Kilka lat temu zrobiliśmy w Polsce najszybszy układ scalony dla LHC - opowiadał mi w CERN jeden z naukowców budujących detektory. - Teraz szybsze kupujemy. A tuż przed uruchomieniem eksperymentu dokupimy to, co będzie najlepsze na rynku - zapowiadał.

fot. CERN

Grid powstał wraz z LHC i wówczas emocjonowano się, że ludzie z CERN znów ulepszyli Internet (znów, bo WWW też pochodzi z laboratorium pod Genewą). Dziś LHC Compuiting Grid ma już lepszych rywali - chmury obliczeniowe.

Jednak Grid łączy światłowodami najlepsze naukowe centra obliczeniowe. Dzięki temu naukowcy mają do dyspozycji sprawdzone maszyny o określonej konstrukcji i gdy ich potrzebują, wyniki obliczeń są wiarygodne i łatwo dostępne. ??A gdy LHC nie dostarcza zbyt wielu interesujących danych, badacze z innych ośrodków używają mocy obliczeniowej CERN-owskich maszyn. Taka sytuacja zajdzie, gdy akcelerator zostanie wyłączony. Choć i wówczas sporo pracy dostarczą komputerom kolejne symulacje.

Do tak prestiżowego laboratorium jak CERN stale trafia najlepszy sprzęt czołowych producentów. Informatycy stale rozbudowują sieci komputerowe i uzupełniają dostępne moce obliczeniowe o coraz bardziej zaawansowane systemy. Cloud computing stopniowo pojawia się w otoczeniu Wielkiego Zderzacza Hadronów (w postaci pobocznych projektów), a władze CERN oficjalnie planują przebudowę systemu gridowego na chmurowy, który dostarczy naukowcom bardziej elastycznych narzędzi.

No, chyba że ktoś w CERN wymyśli coś lepszego niż można znaleźć na rynku. Wcześniej już się to zdarzało.

 

Łukasz Partyka - redaktor magazynu Next - jest dziennikarzem naukowym i gospodarczym. Publikował m.in. w "Gazecie Wyborczej", Gazecie.pl, "Wiedzy i Życiu". Pisze doktorat z ekonomii w Szkole Głównej Handlowej w Warszawie. Uważa, że Mars powinien zostać skolonizowany.