LHC je anglickou skratkou pre Large Hadron Collider čiže veľký hadrónový zrážač. Ide o urýchľovač protónov, ktorý má byť po mnohoročnej príprave uvedený do prevádzky tento rok v laboratóriu CERN pri Ženeve.
S menom LHC je spojených mnoho rekordov: najväčší prístroj na svete, urýchlenie protónov na najväčšiu energiu, najmohutnejšie detektory s najpočetnejšími vedeckými tímami. A tiež potreba spracovať dosiaľ najväčší objem informácie, aký kedy človek vyprodukoval. Keď bude LHC bežať naplno, bude chrliť asi 15 miliónov gigabajtov informácie za rok. To je zhruba jedno percento zo všetkej informácie, ktorú ľudia do roka vytvoria. Vrátane kníh, fotografií, hudby, filmov, aj 51 vydaní časopisu .týždeň.
To je skutočne nepredstaviteľné množstvo, a to ešte nie je všetka informácia, ktorá bude na LHC vznikať. Zo všetkej vznikajúcej informácie sa však drvivá väčšina zahodí a uloží sa len nepatrná časť. A predsa to, čo ostane, spôsobí hotovú informačnú potopu.
.načo a prečo?
Načo vôbec ľudia taký urýchľovač stavajú a prečo bude produkovať tak strašne veľa informácie? Na prvú otázku sa dá odpovedať buď stručne, alebo poriadne. Stručná odpoveď znie, že na LHC máme šancu natrafiť na stopy prítomnosti nových exotických častíc a objav takýchto častíc bude mať hlboký dosah na naše porozumenie základným kameňom hmoty a histórii raného vesmíru. Poriadna odpoveď zaberá kompletný univerzitný kurz teoretickej fyziky.
A teraz k tej druhej otázke: prečo bude informácie tak veľa? Ide o to, že ak aj budú nové exotické častice na LHC vznikať, pravdepodobnosť ich vzniku bude veľmi malá. Je teda treba obrovské množstvo zrážok protónu s protónom, aby sme v niektorej z nich našli to, čo hľadáme. Teoretickí fyzici vedia vypočítať, že ak postavíme LHC s miliardou protónových zrážok za sekundu, tak zaujímavých zrážok, ktoré radikálne ovplyvnia naše chápanie štruktúry sveta, bude do roka iba niekoľko sto! Ešte raz: ako chceme mať niekoľko sto veľmi zaujímavých zrážok za rok, musíme nechať protóny zrážať sa miliardu krát každú sekundu.
Dá sa vôbec niečo také dosiahnuť? Dá. LHC bude v podzemnom 27 km dlhom tuneli zhruba kruhového tvaru urýchľovať dva proti sebe letiace zväzky protónov. Zväzky budú dávkované po zhlukoch so sto miliardami protónov, pričom v jednom zväzku bude 3 600 takýchto zhlukov rovnomerne rozmiestnených po obvode tunela.
Protóny budú urýchlené na obrovskú energiu (tá je nutná na to, aby exotické častice vôbec mohli vznikať), kinetická energia celého zväzku bude asi stonásobkom energie 50-tonovej električky rútiacej sa po meste maximálnou povolenou rýchlosťou 50 km/h.
Protibežné zväzky sa pretnú iba v štyroch bodoch – na miestach, kde sú postavené detektory čiže oči LHC. Zhluky vo zväzkoch budú v týchto miestach prechádzať jeden cez druhý každých 25 nanosekúnd. A hoci budú obsahovať veľké množstvo protónov, pri vzájomnom prelete dvoch zhlukov do seba narazí v priemere iba 23 dvojíc protónov. Také sú zákony kvantovej fyziky. Ostatné protóny v zhluku cestujú ďalej akoby nič a majú šancu poslúžiť ľudstvu v mieste ďalšieho detektora. V každom priesečníku zväzkov tak dostaneme približne miliardu protón-protónových zrážok za sekundu.
.ako?
Ak by sme chceli o každej zrážke zaznamenať všetky detaily, tak nám pre miliardu zrážok za sekundu nebudú ani zďaleka stačiť pamäťové médiá. Je preto absolútne nutné dosiahnuť takú kompresiu informácie, ktorá z tých sto najdôležitejších reakcií bude schopná zachytiť čo najväčší počet s čo najpresnejšími detailmi, a súčasne tie nezaujímavé v čo najväčšom počte zahodí. Základným nástrojom takejto kompresie informácie chrlenej detektormi je takzvaný trigger.
Trigger je počítačom riadená sústava logických rozhodnutí, ktorou musia prejsť výsledky všetkých zrážok. Trigger ich testuje a hneď na mieste rozhoduje, či prišlo k zaujímavej reakcii hodnej zaznamenania. A ak nechceme, aby nám „ušla“ ďalšia zrážka, musí byť rozhodovanie neuveriteľne rýchle.
Každý trigger má preto niekoľko úrovní. Najjednoduchšia úroveň je naozaj taká rýchla, že by ňou trigger stihol prečesať všetky zrážky, keby sa nemusel zdržovať na vyšších úrovniach. Typickým hľadaným signálom na najjednoduchšej úrovni je test, či prišlo k poriadnej čelnej zrážke. Ten primárne rozhoduje o tom, či sa detaily o zrážke zaznamenajú, pretože takýchto čelných zrážok je menej ako jedna z milióna.
Ďalšie úrovne triggera úzko súvisia s typom detektora. Každý zo štyroch detektorov je špeciálne citlivý na rozoznávanie iných detailov zrážky, a preto sú vyššie úrovne triggerov špecificky šité na mieru jednotlivých detektorov. Výsledkom je, že z miliardy zrážok za sekundu vyberie trigger približne sto, o ktorých sa zapíše úplná informácia na neskoršiu analýzu. Na tejto úrovni sa takzvaná on-line kompresia informácie z LHC končí.
.čo ďalej?
Informácií, ktoré prejdú cez trigger, je ešte stále strašne veľa. Uloženie a neskoršie (off-line) spracovanie takéhoto objemu informácií nezvládne žiadny drahý mamutí superpočítač. Riešenie spočíva v sieti veľkého množstva relatívne lacných menších počítačov.
Áno, v podstate ide o veľký počet prepojených osobných počítačov. A ak sa na disk jedného pécečka vojdú rádovo stovky gigabajtov, sieť ich musí obsahovať státisíce. Projekt LHC Computing Grid (alebo len Grid) počíta s vytvorením práve takejto siete. Toľko počítačov však nemožno napchať do jedného výpočtového strediska. Aj keď sa ako budeme snažiť, neprekonateľnou hranicou sa stane potreba chladenia: výpočtové stredisko začne plniť vedľajšiu funkciu miestnej teplárne skôr, ako bude vyhovovať potrebám LHC. Grid bude preto rozmiestnený na vedeckých inštitúciách po celej Zemi a pospájaný cez internet.
Grid predpokladá hierarchický model rozdeľovania dát. Surové údaje, ktoré budú za čerstva odoberané po triggerovaní z detektorov LHC, budú nahrávané na magnetickú pásku a prejdú úvodným spracovaním nultej úrovne na počítačoch v CERN-e. Tieto údaje budú ďalej rozdelené do centier prvej úrovne, ktorých je v súčasnosti po svete oniečo viac ako desať. Tie budú zodpovedné za správu uloženej informácie. Vytvorenú databázu budú čiastočne spracúvať a čiastočne posielať ďalej do výpočtových centier druhej úrovne. Individuálni fyzici z viac ako 500 zúčastnených univerzít a vedeckých inštitúcií budú pracovať na počítačoch tretej úrovne.
Na propagačných letákoch, tričkách a šálkach sa dnes CERN hrdí textom „ ... kde sa zrodil World Wide Web “. Chce ním pripomenúť, že WWW vzniklo pred 17 rokmi v CERN-e pri riešení podobných (aj keď rádovo menších) problémov, ako rieši teraz GRID. Aký text bude asi vytlačený na cernských tričkách o ďalších 17 rokov?
.tomáš Blažek
S menom LHC je spojených mnoho rekordov: najväčší prístroj na svete, urýchlenie protónov na najväčšiu energiu, najmohutnejšie detektory s najpočetnejšími vedeckými tímami. A tiež potreba spracovať dosiaľ najväčší objem informácie, aký kedy človek vyprodukoval. Keď bude LHC bežať naplno, bude chrliť asi 15 miliónov gigabajtov informácie za rok. To je zhruba jedno percento zo všetkej informácie, ktorú ľudia do roka vytvoria. Vrátane kníh, fotografií, hudby, filmov, aj 51 vydaní časopisu .týždeň.
To je skutočne nepredstaviteľné množstvo, a to ešte nie je všetka informácia, ktorá bude na LHC vznikať. Zo všetkej vznikajúcej informácie sa však drvivá väčšina zahodí a uloží sa len nepatrná časť. A predsa to, čo ostane, spôsobí hotovú informačnú potopu.
.načo a prečo?
Načo vôbec ľudia taký urýchľovač stavajú a prečo bude produkovať tak strašne veľa informácie? Na prvú otázku sa dá odpovedať buď stručne, alebo poriadne. Stručná odpoveď znie, že na LHC máme šancu natrafiť na stopy prítomnosti nových exotických častíc a objav takýchto častíc bude mať hlboký dosah na naše porozumenie základným kameňom hmoty a histórii raného vesmíru. Poriadna odpoveď zaberá kompletný univerzitný kurz teoretickej fyziky.
A teraz k tej druhej otázke: prečo bude informácie tak veľa? Ide o to, že ak aj budú nové exotické častice na LHC vznikať, pravdepodobnosť ich vzniku bude veľmi malá. Je teda treba obrovské množstvo zrážok protónu s protónom, aby sme v niektorej z nich našli to, čo hľadáme. Teoretickí fyzici vedia vypočítať, že ak postavíme LHC s miliardou protónových zrážok za sekundu, tak zaujímavých zrážok, ktoré radikálne ovplyvnia naše chápanie štruktúry sveta, bude do roka iba niekoľko sto! Ešte raz: ako chceme mať niekoľko sto veľmi zaujímavých zrážok za rok, musíme nechať protóny zrážať sa miliardu krát každú sekundu.
Dá sa vôbec niečo také dosiahnuť? Dá. LHC bude v podzemnom 27 km dlhom tuneli zhruba kruhového tvaru urýchľovať dva proti sebe letiace zväzky protónov. Zväzky budú dávkované po zhlukoch so sto miliardami protónov, pričom v jednom zväzku bude 3 600 takýchto zhlukov rovnomerne rozmiestnených po obvode tunela.
Protóny budú urýchlené na obrovskú energiu (tá je nutná na to, aby exotické častice vôbec mohli vznikať), kinetická energia celého zväzku bude asi stonásobkom energie 50-tonovej električky rútiacej sa po meste maximálnou povolenou rýchlosťou 50 km/h.
Protibežné zväzky sa pretnú iba v štyroch bodoch – na miestach, kde sú postavené detektory čiže oči LHC. Zhluky vo zväzkoch budú v týchto miestach prechádzať jeden cez druhý každých 25 nanosekúnd. A hoci budú obsahovať veľké množstvo protónov, pri vzájomnom prelete dvoch zhlukov do seba narazí v priemere iba 23 dvojíc protónov. Také sú zákony kvantovej fyziky. Ostatné protóny v zhluku cestujú ďalej akoby nič a majú šancu poslúžiť ľudstvu v mieste ďalšieho detektora. V každom priesečníku zväzkov tak dostaneme približne miliardu protón-protónových zrážok za sekundu.
.ako?
Ak by sme chceli o každej zrážke zaznamenať všetky detaily, tak nám pre miliardu zrážok za sekundu nebudú ani zďaleka stačiť pamäťové médiá. Je preto absolútne nutné dosiahnuť takú kompresiu informácie, ktorá z tých sto najdôležitejších reakcií bude schopná zachytiť čo najväčší počet s čo najpresnejšími detailmi, a súčasne tie nezaujímavé v čo najväčšom počte zahodí. Základným nástrojom takejto kompresie informácie chrlenej detektormi je takzvaný trigger.
Trigger je počítačom riadená sústava logických rozhodnutí, ktorou musia prejsť výsledky všetkých zrážok. Trigger ich testuje a hneď na mieste rozhoduje, či prišlo k zaujímavej reakcii hodnej zaznamenania. A ak nechceme, aby nám „ušla“ ďalšia zrážka, musí byť rozhodovanie neuveriteľne rýchle.
Každý trigger má preto niekoľko úrovní. Najjednoduchšia úroveň je naozaj taká rýchla, že by ňou trigger stihol prečesať všetky zrážky, keby sa nemusel zdržovať na vyšších úrovniach. Typickým hľadaným signálom na najjednoduchšej úrovni je test, či prišlo k poriadnej čelnej zrážke. Ten primárne rozhoduje o tom, či sa detaily o zrážke zaznamenajú, pretože takýchto čelných zrážok je menej ako jedna z milióna.
Ďalšie úrovne triggera úzko súvisia s typom detektora. Každý zo štyroch detektorov je špeciálne citlivý na rozoznávanie iných detailov zrážky, a preto sú vyššie úrovne triggerov špecificky šité na mieru jednotlivých detektorov. Výsledkom je, že z miliardy zrážok za sekundu vyberie trigger približne sto, o ktorých sa zapíše úplná informácia na neskoršiu analýzu. Na tejto úrovni sa takzvaná on-line kompresia informácie z LHC končí.
.čo ďalej?
Informácií, ktoré prejdú cez trigger, je ešte stále strašne veľa. Uloženie a neskoršie (off-line) spracovanie takéhoto objemu informácií nezvládne žiadny drahý mamutí superpočítač. Riešenie spočíva v sieti veľkého množstva relatívne lacných menších počítačov.
Áno, v podstate ide o veľký počet prepojených osobných počítačov. A ak sa na disk jedného pécečka vojdú rádovo stovky gigabajtov, sieť ich musí obsahovať státisíce. Projekt LHC Computing Grid (alebo len Grid) počíta s vytvorením práve takejto siete. Toľko počítačov však nemožno napchať do jedného výpočtového strediska. Aj keď sa ako budeme snažiť, neprekonateľnou hranicou sa stane potreba chladenia: výpočtové stredisko začne plniť vedľajšiu funkciu miestnej teplárne skôr, ako bude vyhovovať potrebám LHC. Grid bude preto rozmiestnený na vedeckých inštitúciách po celej Zemi a pospájaný cez internet.
Grid predpokladá hierarchický model rozdeľovania dát. Surové údaje, ktoré budú za čerstva odoberané po triggerovaní z detektorov LHC, budú nahrávané na magnetickú pásku a prejdú úvodným spracovaním nultej úrovne na počítačoch v CERN-e. Tieto údaje budú ďalej rozdelené do centier prvej úrovne, ktorých je v súčasnosti po svete oniečo viac ako desať. Tie budú zodpovedné za správu uloženej informácie. Vytvorenú databázu budú čiastočne spracúvať a čiastočne posielať ďalej do výpočtových centier druhej úrovne. Individuálni fyzici z viac ako 500 zúčastnených univerzít a vedeckých inštitúcií budú pracovať na počítačoch tretej úrovne.
Na propagačných letákoch, tričkách a šálkach sa dnes CERN hrdí textom „ ... kde sa zrodil World Wide Web “. Chce ním pripomenúť, že WWW vzniklo pred 17 rokmi v CERN-e pri riešení podobných (aj keď rádovo menších) problémov, ako rieši teraz GRID. Aký text bude asi vytlačený na cernských tričkách o ďalších 17 rokov?
.tomáš Blažek
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.