Новости

7 Сентября, 2020 17:20

Скромное очарование кварков. Сибирская установка мегасайенс объединила институты

Развитие физики элементарных частиц немыслимо без международных коллабораций: такую установку, как Большой адронный коллайдер, силами одной страны не построишь, да и для работы на ней необходимы компетенции всех ведущих мировых лабораторий. Внутри России, конечно, масштаб установок мегасайенс скромнее, но институтам, в частности, физического профиля, есть чем похвастать. Заметно оживить сотрудничество вокруг отечественной инфраструктуры помог новый конкурс Российского научного фонда.

Источник: Александра Федосеева / Наука в Сибири

– Инфраструктурные гранты в первый раз появились в 2019 году, и для нашего института новый конкурс оказался очень полезным, – отмечает заместитель директора Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН, заведующий кафедрой физики элементарных частиц физического факультета НГУ, доктор физико-математических наук Иван Логашенко. – В 2019 году были поддержаны 9 проектов, которые соседние институты выполняют на уникальной научной инфраструктуре ИЯФ. Кроме того, Институт ядерной физики воспользовался возможностями этой программы не только в качестве оператора инфраструктуры, но и подготовил собственный проект. Благодаря гранту нам удалось создать совершенно новую коллаборацию, причем вокруг установки мегасайенс, еще не построенной, но крайне перспективной для развития физики частиц.

Ниша для фабрики

Проект Супер С-Тау фабрики вошел в число победителей конкурса российских установок мегасайенс еще в 2011 году. Правда, финансирование проекта попало во вторую очередь, которая пока так и не наступила. Установка будет представлять собой электрон-позитронный коллайдер ультравысокой светимости. Фабрика включает уникальный ускорительно-накопительный комплекс и универсальный детектор элементарных частиц. Буквы «С» и «Тау» в названии означают, что на коллайдере будут осуществляться прецизионные измерения параметров фундаментальных частиц, рождающихся в области энергий от 2 до 6 ГэВ. К таким частицам в первую очередь относятся тау-лептон и очарованный кварк (с-кварк).

– Этот проект прекрасно встраивается в общую мировую стратегию развития физики частиц, – поясняет И.Логашенко. – Конечно, есть Большой адронный коллайдер, активно разрабатываются проекты флагманских установок нового поколения для работы в области сверхвысоких энергий. Однако, помимо этого, мировой науке для прецизионной проверки существующей теории (Стандартной модели) необходимы еще 2-3 коллайдера в области меньших энергий, в частности, B-фабрика, запускаемая сейчас в Японии, и С-Тау-фабрика, успешно работающая в Китае. Сибирская Супер С-Тау фабрика относится к установкам следующего поколения, она должна заменить китайский коллайдер, когда тот исчерпает свои возможности.

Идея о строительстве такой фабрики вынашивается в ИЯФ давно. Существует не так много установок класса мегасайенс, которые Россия может построить своими силами, при разумном объеме финансирования (стоимость реализации проекта – около 40 миллиардов рублей), чтобы они были при этом интересны и востребованы в мировом масштабе. В области электрон-позитронных коллайдеров наш институт – мировой лидер. Свыше 50 лет назад сотрудники ИЯФ во главе с академиком Андреем Будкером создали метод встречных пучков параллельно с лабораториями Стэнфорда и Принстона (США) и лабораторией ядерных исследований во Фраскати (Италия), ставший основным в физике высоких энергий.

Мировое научное сообщество проявляет к проекту Супер С-Тау фабрики живой интерес: летом 2017 года был образован Международный консультативный комитет, который собирается один-два раза в год и дает рекомендации по совершенствованию Супер С-Тау фабрики. На сегодняшний день подготовлен концептуальный проект установки. Следующий этап – разработка широкой коллаборацией ученых технического проекта, по которому коллайдер уже можно строить.

Чтобы представить себе масштаб вычислительной инфраструктуры будущей фабрики, а именно о ней идет речь в проекте РНФ «Разработка системы моделирования, обработки и хранения данных установки класса мегасайенс «Супер С-Тау фабрика», следует понимать, что в эксперименте пучки электронов и позитронов, движущиеся с огромной скоростью, сталкиваются 100-200 миллионов раз каждую секунду и частицы, рождающиеся в этих столкновениях, регистрируются детектором. В ходе проведения экспериментов с детектора элементарных частиц будет считано порядка 100 петабайт «сырых» данных. Их надо сохранить, обработать, проанализировать, выделив в триллионах событий (так физики называют рождение частиц) десяток, заслуживающих пристального изучения.

В потоке информации

– В рамках этого гранта ИЯФ смог наладить новые отношения и подключить к реализации проекта другие институты СО РАН, обладающие необходимыми компетенциями: Институт вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ), являющийся оператором Сибирского суперкомпьютерного центра (ССКЦ), и Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий (ФИЦ ИВТ), где накопился большой опыт по сбору, хранению и распространению больших данных, например, в области биоинформатики, – продолжает Иван Борисович. – Что же касается ИЯФ, мы делаем специальное программное обеспечение, необходимое для моделирования экспериментов и анализа данных. Благо, у института в этом огромный опыт: он участвовал в разработке детекторов и проведении экспериментов на многих существующих мировых установках. В рамках проекта РНФ мы разрабатываем базовый вариант системы моделирования и анализа данных, а в дальнейшем его будут совершенствовать представители мирового сообщества, участвующие в экспериментах.

Когда создается новый детектор, физики стараются применить лучшие технологии из тех, что есть, а в чем-то сделать шаг вперед. Предыдущий опыт нельзя просто перенимать в чистом виде, необходимо создавать новые модели, адекватно описывающие планируемую установку. Но при этом для решения отдельных задач можно использовать существующие в мире разработки. Например, каркас модульной системы взят в ЦЕРНе. Мы активно участвуем в разработке унифицированной модели данных для основных мировых установок в области физики частиц.

На сегодняшнем этапе развития проекта Супер С-Тау фабрики одна из важных задач для ученых – понять, как нужно оптимизировать параметры будущей установки, чтобы достичь максимальных физических результатов. Способ оптимизации известен: эксперимент полностью моделируется на компьютере. В процессе моделирования можно менять параметры детектора и других подсистем установки, приближаясь к оптимуму. Сейчас группа из ИЯФ – руководитель проекта РНФ Иван Логашенко, Виталий Воробьев, Дмитрий Максимов, Андрей Сухарев, Сергей Грибанов и Вячеслав Иванов – работает над первой задачей проекта: готовит комплекс программного обеспечения для моделирования. Уже реализована полная цепочка модулей моделирования и реконструкции данных для электромагнитного калориметра.

– С помощью программной модели для калориметра, одной из основных систем будущего детектора, мы смогли оценить возможности проектируемой системы. Эта модель будет использоваться и дальше – для последующей оптимизации конструкции калориметра и разработки алгоритмов анализа данных, – добавляет И.Логашенко. – На очереди другие подсистемы детектора: дрейфовая камера, система идентификации, мюонная система. После этого можно будет проводить более-менее полноценное моделирование всего эксперимента.

Чтобы справиться с ожидаемым потоком данных, на Супер С-Тау фабрике одновременно планируется работа от 10 до 100 тысяч экземпляров программы моделирования и анализа данных, о которой шла речь выше. Провести адекватное проектирование такой вычислительной инфраструктуры собственными силами Институт ядерной физики не мог. Здесь пришли на помощь другие участники коллаборации, созданной благодаря проекту РНФ.

Модули и модели

В вычислительной инфраструктуре каждой установки мегасайенс есть свои особенности. В случае Супер С-Тау фабрики это очень большой объем исходных данных, относительно невысокая вычислительная сложность их реконструкции, но серьезные и сложные задачи в моделировании и анализе результатов экспериментов.

– Когда будем запускать установку, потребуется оптимизация вычислительной инфраструктуры, – комментирует руководитель проекта. – Оптимизация огромной и специфической вычислительной инфраструктуры Супер С-Тау фабрики должна пойти по тем же канонам, что и совершенствование параметров детектора. Для этого группа из ИВМиМГ (директор института Михаил Марченко и специалист по имитационному моделированию Дмитрий Винс) строит систему моделирования, но уже не детектора, а всей вычислительной инфраструктуры. Это вторая задача проекта. Модель продемонстрирует, как запускаются задания на обработку, какие ресурсы будет потреблять система, каковы потоки данных. В 2019 году уже была разработана базовая модель, предусматривающая все аспекты будущего функционирования. В настоящее время продолжается работа по ее детализации и уточнению. С помощью этой модели мы сможем понять, как следует оптимально строить вычислительную инфраструктуру в реальной установке. А на этапе проектирования результаты нашей работы будут использованы для составления правильного технического задания.

Помимо большого количества программ международные коллаборации вокруг установок мегасайенс предусматривают и большое количество участников. Так, по предварительным оценкам, в работе Супер С-Тау фабрики примут участие несколько сотен физиков, причем россиян из них будет меньше половины. Неудивительно, что третья задача проекта – организовать процесс моделирования и анализа данных и обеспечить унифицированный доступ к ним всем участникам проекта. Иными словами, разработать информационную платформу с необходимыми рабочими инструментами. Здесь незаменимыми оказались компетенции лаборатории биоинформатики Федерального исследовательского центра информационных и вычислительных технологий. О том, что такое большие данные, специалисты института знают не понаслышке, доступ к мировым генетическим банкам налажен бесперебойный.

Группа из ФИЦ ИВТ в составе Федора Колпакова и Ильи Киселева работает над созданием универсальной научной платформы для моделирования, анализа и визуализации данных будущих экспериментов на электрон-позитронном коллайдере нового поколения. Построенная на основе программного комплекса BioUML платформа ранее предназначалась для решения биомедицинских задач, но совместными усилиями коллектива в нее были интегрированы инструменты, широко используемые в физике частиц. Что интересно, разработанная платформа может использоваться не только для организации обработки данных с детектора Супер С-Тау фабрики, но и для имитационного моделирования вычислительной инфраструктуры – в этом поможет специально созданный программный модуль.

Не прерывая ускорения

– Проект РНФ рассчитан на четыре года – с 2019-го по 2022-й, – рассказывает И.Логашенко. – Надо отметить, что подготовка документов на конкурс особой сложности не представляла, учитывая наш опыт по реализации других проектов Фонда. В 2019 году мы, как и было запланировано, разработали и адаптировали базовую систему, так сказать, каркас. В 2020 году встраиваем в созданный виртуальный каркас все основные составляющие детектора. Затем будем с помощью этой системы моделировать получение данных в эксперименте и разрабатывать методы их анализа.

К концу четырехлетнего цикла у нас должно быть готово полноценное программное обеспечение для моделирования и анализа, которое поможет другим физикам международной коллаборации понять, как работает эксперимент, как оптимизировать параметры систем и какие методы анализа необходимо разработать дополнительно.

Уместно напомнить, что Институт ядерной физики – единственное в мире место, где, начиная с 1968 года, постоянно работает хотя бы один электрон-позитронный коллайдер. Больше ни одна лаборатория подобной непрерывностью исследований по ускорительной тематике похвастаться не может. Строительство Супер С-Тау фабрики должно стать завершающим шагом в создании самого крупного в России ускорительного комплекса встречных электрон-позитронных пучков. Актуальность подобной установки мегасайенс для отечественной науки подчеркивает тот факт, что даже на этапе проектирования будущая фабрика постепенно становится частью международной программы исследований в области физики высоких энергий.

18 Сентября, 2020
Создан программный комплекс для моделирования самосборки молекулярных слоев
Российские ученые разработали программу, которая позволяет моделировать процессы на поверхностях тве...
18 Сентября, 2020
Исследование алмазного потенциала Архангельской области позволит продолжить добычу алмазов в регионе
Российский научный фонд в рамках президентской программы исследовательских проектов выделил 15 млн р...