1

Mihnea DuleaINSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE DEZVOLTARE PENTRU FIZICA SI

INGINERIE NUCLEARA “HORIA HULUBEI”

10.04.2014

SUPORTUL COMPUTATIONAL PENTRU CERCETAREA DE FIZICA DE LA CERN

- “Scoala Altfel” -

Liceul teoretic “Ovidius” - Constanta

2

Un institut de cercetare cu:~ 700 angajati~ 400 cercetatori atestati10 departamente15 laboratoare

DOMENII DE CERCETARE:

Fizica FundamentalaFizica Nucleara si AstrofizicaFizica ParticulelorFizica AtomicaFizica Starii CondensateFizica MatematicaFizica ComputationalaFizica Vietii si a Mediului

Fizica AplicataSisteme detectie avansateSiguranta nuclearaProtectie la radiatiiProduse radioactiveRadioecologieBiomedicina nuclearaTehnici nucleare si aplicatiiSisteme avansate de comunicare de date

Institutul National de Fizica si Inginerie Nucleara ‘Horia Hulubei’

Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP) , 2015

Reactorul nuclear VVR-S (1957-2012)

DE UNDE VIN ?

3

INTREBARI MAJORE

In “Ghidul autostopistului galactic” (“The Hitchhiker'sGuide to the Galaxy”), Douglas Adams parodiazaobsesia intrebarilor existentiale.Pentru a afla raspunsul la “Intrebarea suprema despreviata, Univers, si toate celelalte” se construieste unsupercomputer (Deep Thought), care va calcula siverifica raspunsul timp de 7,5 milioane de ani. Lacapatul acestui interval, se constata ca raspunsulfurnizat (un numar) este inutilizabil, deoarececontinutul “intrebarii supreme” nu se mai cunoaste.

Cercetatorii isi pun cu seriozitate intrebari majore, formuleaza raspunsuri ipotetice, si suntinteresati de confirmarea teoriilor lor (daca se poate, in timpul vietii).

La intrebarea “suprema” “cum a aparut Universul?”, majoritatea vom raspunde “Big Bang”Dar teoriile privind evolutia Universului primordial spre forma actuala necesita incaconfirmarea lor experimentala, care implica dispozitive complexe si calcule extensive.

SUBIECTELE ABORDATE AICI • Momente de referinta privind contributia CERN la suportul computational pt. cercetare• Contributia Romaniei la suportul computational al experimentelor de la CERN

4

S-a stabilit ca exista 4 forte/interactiuni fundamentale:

• forta de gravitatie (camp gravitational) - mentine pamantul pe orbita

• forta electromagnetica (camp electromagnetic) - coeziunea atomului

• forta nucleara tare - mentine coeziunea nucleului

• forta nucleara slaba - responsabila de dezintegrarea radioactiva

CONSIDERENTE TEORETICE

In anii ‘60 s-a realizat o descriere unificata a fortelor electromagnetica si slaba:

la energii suficient de mari (temperaturi 1015 K) cele doua forte devin forta electroslaba

In fizica particulelor elementare fortele sunt explicate prin schimb de particule cu impuls

• interactia slaba: datorata schimbului unor particule cu masa mare (W, Z)

• electromagnetism: datorata schimbului de fotoni, care au masa nula

Diferenta de masa intre tipurile de particule asociate fortei electroslabe naste intrebarea

Ce determina masa particulelor elementare?

5

Studii teoretice (1964) spun ca la 10-13 sec. de la BigBang universul a fost “umplut“ de campul Higgs.Particulele fundamentale “masive” si-ar capatamasa prin interactia cu campul Higgs.Acesta este responsabil de "rezistenta la inaintare";fara el, particulele cu masa nu ar mai avea masa sis-ar deplasa cu viteza luminii (ca fotonii).

PARTICULA HIGGS

Camp/particula Higgs Foton / lumina Particula cu masa

Particula Higgs asociata campului Higgs (cf. dualism unda-particula) ar avea masa ~133xmasa protonului si timpul de viata extreme de scurt - 10-22sec.

La ciocnirea unor particule (de ex. protoni) accelerate la viteze f. mari, energia acestora setransforma in materie (cf. E = mc2). Astfel apar inclusiv particule noi care pot avea masamult mai mare decat particulele initiale (protonii).Sansa de a detecta o particula Higgs intr-o ciocnire este extrem de mica (10-10).

CONCLUZIESe pot crea experimental particule noi, inclusiv de tip Higgs, prin ciocniri de particule laenergii suficient de inalte. Daca timpul de viata este prea mic, se detecteaza produsiidezintegrarilor. Ciocnirile se repeta de suficiente ori pt. a obtine date statistice relevante.Conditii satisfacute cu: acceleratoare puternice + detector avansati + tehnica de calcul de top

6

In 1949, in plin razboi rece, cercetarea vestica in domeniul nuclear eradominata de programul de dezvoltare in scopuri militare desfasurat deSUA si Marea Britanie. Cercetarea europeana, cea mai avansata inaintede razboi, ramasese in urma si nici o tara nu dispunea de capacitateade a construi o facilitate experimentala majora.

CREAREA CERN

Fizicieni de marca (Louis de Broglie, Pierre Auger, Niels Bohr, Eduardo Amaldo, s.a.) aupropus crearea unui laborator european pentru fizica atomica, propunere sustinutaincepand din 1950 si de SUA, in urma exploziei primei bombe nucleare sovietice (1949).

Prima rezolutie privind infiintarea unui organism provizoriu, Consiliul European pentruCercetare Nucleara (CERN) este adoptata de UNESCO in 1951.

Semnarea conventiei privind creareaOrganizatiei Europene pentru CercetariNucleare de catre 12 state se incheie la 29septembrie 1954.Primul accelerator de la CERN, sincrociclotronulde 600 MeV (SC) functioneaza intre 1957-1990.Urmeaza: sincrotronul de protoni (PS, 1959);supersincrotronul de protoni (SPS, 1976); LEP =Large Electron-Positron collider (1989-2000).

7

22 tari membre, 1 candidat – Romania (membru in 2015), 5 observatori, 37 cu acorduricooperare; peste 10.000 utilizatori

CERN ASTAZI

8

INVENTAREA WORLD WIDE WEB

Acumularea, prelucrarea si partajarea in retea catre un numar mare de colaboratori dinintreaga lume a datelor legate de experimentele derulate la LEP a facut necesara creareaunui sistem electronic de gestiune a informatiilor usor de accesat si actualizat.

In martie 1989 Tim Berners Lee propune sa dezvolte un sistem distribuit de managemental informatiilor despre acceleratori si experimente, pentru laborator (“InformationManagement: A Proposal”). Initial il numeste “Mesh”.

"This machine is a server. DO NOT POWER DOWN!!"

Primul server web este propriul calculator NeXT

9

PRIMUL SERVER / SITE WEB

1993: CERN face public software-ul WWW(serverul web, browser-ul in mod line decomanda si o biblioteca de coduri).Pentru diseminare maxima, versiuneaurmatoare apare sub licenta open source.

“There is no sector of society that has notbeen transformed by the invention, in aphysics laboratory, of the web. Fromresearch to business and education, theweb has been reshaping the way wecommunicate, work, innovate and live.The web is a powerful example of the waythat basic research benefits humankind.”Rolf Heuer, Dir. Gen. CERN

1990: Tim B-L defineste conceptele de baza (URL, http, html), programeaza software-ulserverului web si pe cel al browser-ului. “Mesh” devine WWW.

Anul urmator web-ul se extinde mai intai in comunitatea HEP, apoi in Europa.

10LEP = Large Electron-Positron collider LHC = Large Hadron Collider

CALATORIE IN TIMP

11

ACCELERATORUL LHC

LEP a reconstituit, la scara microscopica, starea universului la ~10-10 secunde de la BigBang, cand temperature era de ~1015 K.

Pentru apropierea la ~10-12 secunde s-a creat Large Hadron Collider (LHC) = cel mai mareaccelerator / instrument stiintific, construit in tunelul LEP, 27 Km circumferinta. Protonii seciocnesc la 7+7 TeV, in 4 puncte de intersectie ale fasciculelor, unde sunt situati detectori.

Detectorii culeg date pentru 4 experimente majore: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb; la 3 dintre eleparticipa si cercetatorii romani.

Se spera ca experimentele sa raspunda la intrebari fundamentale:

• De ce au particulele masa / mase diferite

• Ce compune 95% din Univers? (25% materie intunecata? 70% energie intunecata?)

• De ce (aparent) nu exista antimaterie in Univers? (simetria ar impune 50%)

• Cum arata material in prima secunda dupa Big Bang?

12

ACCELERARE, CIOCNIRE, DETECTIE LA LHC

13

Detectorii intercepteaza si analizeaza produsii de dezintegrare -> input pt. reconstructia partii de interes a ciocnirilor folosind tehnica de calcul

DETECTORI

14

ACHIZITIA DE DATE

150 de milioane de senzori ai detectorilor furnizeaza date de 40 de milioane de ori / sec.Datele primare se filtreaza si se selecteaza pentru a studia anumite probleme fizice ->Centrul de Calcul CERN inregistreaza datele si face reconstructia initiala a evenimentelor

15

Achizitia informatiei de interes din cele 40 de millioane de ciocniri de particule(evenimente) pe secunda desfasurate in centrul celor 4 detectori conduce la acumulareaanuala a 25 PetaBytes de date. Centrul de calcul CERN nu este suficient pt. procesarea lor.

GRIDUL DE CALCUL LHC (LCG)

Solutia: o infrastructura distribuita de calcul,coordonata de CERN, care sa furnizezeresursele de stocare, procesare si analiza adatelor necesare experimentelor -> Grid-ulLHC. + Colaborarea Worldwide LCG (WLCG).Structura ierarhica: 1 centru Tier-0 (CERN), 12centre Tier-1, 150 centre Tier-2, in 35 de tari.Centrul Tier-0 distribuie date catre Tier-1.Tier-1: stocare permanenta, reprocesare,analizaTier-2: simulari si analiza pt. utilizatori.Modelul ierarhic a fost inlocuit recent demodelul “mesh”, in care fiecare centru Tier-2poate interactiona cu mai multe centre Tier-1si Tier-2.Total: > 500.000 core, 260 PetaBytes

16

PARTICIPAREA RO-LCG LA COLABORAREA WLCG

Descoperirea particulei de tip Higgs "has only been

possible because of the extraordinary achievements of the

experiments, infrastructure, and the grid computing"

(Rolf Heuer, director CERN, 4.07.2012)

CONTRIBUIE WLCG LA ACCELERAREA CERCETARII ? ROMANIA CONTRIBUIE CU FEDERATIA RO-LCG

Ca centru Tier-2, RO-LCG are sarcinile:

furnizeaza capacitati de stocare pedisc si putere de calcul pentrusimularile Monte Carlo si analiza dedate necesara pentru 3 experimente(Alice, Atlas, LHCb);

indeplineste conditii dedisponibilitate a resurselor siserviciilor grid conform service levelagreement (SLA) convenit inMemorandumul de Intelegere WLCG(disponibilitate minima anuala de95%, conectivitate minima de 10 Gbpscu reteaua europeana GEANT pt.educatie si cercetare)

Resursele RO-LCG:

7 centre grid; ~ 6500 cores; ~2,3PetaBytes capacitate stocare

Federatia Romana Tier-2 RO-LCG este coordonatade DFCTI/IFIN-HH

Site-uri (centre de resurse) grid:

• IFIN-HH:

NIHAM (alice)

RO-02-NIPNE (atlas)

RO-07-NIPNE (alice, atlas, lhcb)

RO-11-NIPNE (lhcb)

• ISS = Institutul de Stiinte Spatiale:

RO-13-ISS (alice)

• ITIM = INCD pentru Tehnologii Izotopice siMoleculare din Cluj-Napoca:

RO-14-ITIM (atlas)

• UAIC = Universitatea 'Alexandru Ioan Cuza' dinIasi

RO-16-UAIC (atlas)

17

TOPOLOGIA RO-LCG

18

“Centrul de calcul"

“Centrul de date“

INFRASTRUCTURA DE CALCUL

<- 1956

Contributia RO-LCG la activitatea WLCG desfasurata de centrele Tier-2 in 2013 pentruexperimentele ALICE+ATLAS+LHCb:

19

REZULTATE

20

SOFTWARE

La CERN se dezvolta software pentru: controlul acceleratoarelor; transferul masival datelor; achizitie, stocare si procesare de date; simulari si analiza datelor pt. experimente (biblioteci software pt. calcul stiintific); baze de date; networking; calcul simbolic; grafica; comunicare de grup si acces la informatii; etc.

In 1960 software-ul necesar pentru un experiment cuprindea cateva sute pana la cateva mii de linii de cod, scrise de nu mai mult de 3 programatori, care rulau peun singur computer.

Astazi un experiment LHC necesita cateva zeci de milioane de linii de cod, programate de cel putin 300 de programatori, care ruleaza pe zeci de mii de procesoare

21

CONCLUZII

In cei 60 de ani de existenta CERN a furnizat rezultate de top pentru cercetarea de fizica, in domeniile acceleratorilor, experimentelor si al tehnologiei grid.

Conform planurilor de dezvoltare, seria de rezultate de calitate va continua in urmatorii 20 de ani de explorare a fizicii noi de la LHC.

In paralel, vor continua sa creasca cerintele privind suportul computational al experimentelor de la LHC, atat privind scalabilitatea cat si complexitatea (ex. soft)

CERN este si va continua sa fie atat un beneficiar cat si un producator de tehnologii noi

Exista toate premisele necesare pentru ca RO-LCG sa contribuie in continuare cu rezultate de exceptie la activitatea gridului LHC, in cadrul colaborarii WLCG. Participarea la colaborarea WLCG ofera specialistilor si tinerilor interesati de tehnologiile informationale avansate accesul la rezultatele recente ale cercetariidin domeniul IT de varf, si oportunitatea participarii la dezvoltarea acestuidomeniu

22

VA MULTUMESC PENTRU

ATENTIE !