Delft students

Deeltjesfysica, CERN en GRID-computing
Sheets gestolen van:
Jorgen D’Hondt (VUB - Brussel)
Frank Linde, Els Koffeman en Jeff Templon (NIKHEF)
Ivo van Vulpen
NIKHEF = Nationaal Instituut voor Kern en Hoge Energie Fysica
Fundamenteel onderzoek:
Bestuderen van de bouwstenen van de natuur
(deeltjes)
Bestuderen interactie tussen de fundamentele deeltjes
(krachten)
structuur van atomen
0.00001 mThompson
0.00000001 m
Rutherford
Bohr
0.000000001 m
ELEMENTAIRE DEELTJESFYSICA
(INTRODUCTIE)
Het proton
Puntdeeltje met positieve lading ?
‘Kijken‘ met een electron
Deeltje of golf ?
-> Voor 1900 alleen deeltjes
 -> Na 1900 deeltje/golf dualiteit

Planck:
E  hc / 
Hoe hoger de energie, hoe kleiner de golflengte
Frequentie
Golflengte
Energie
BRON
(MHz)
(meter)
(eV)
Radio zenders
1
Televisie zenders
100
1
GSM
1000
0,1
Magnetron
10000
0,01
Radar
100000
0,001
Infrarood
100000000 0,000001
1
Ultraviolet
1000000000 0,0000001
10
Rontgen
Gamma straling
Kosmische straling
1000
proton =
10-15 m=1*109 eV
1000000
= 1 GeV
10000000000
In het proton ‘kijken’
Proton blijkt opgebouwd uit quarks
 Golflengte bepalend voor resolutie

structuur v/d materie
10-11 m
10-14 m
10-15 m
proton
neutron
proton = uud
Massa = 938 MeV
Lading = +1
neutron = udd
Massa = 939 MeV
Lading = 0
Levensduur = ∞
Levensduur = 900 s
Elementaire deeltjes
electron
muon
tau
leptonen
e


neutrinos
down
strange
bottom
quarks
up
charm
top
Mediatoren van krachten
electromag netisme
photon
zwakke wisselwer king
Z
sterke wisselwer king
gluon
( )

W ,W
NB: Gravitatie niet bevat in Standaard Model (geen quantumtheorie)
-
Veel open vragen die het Standaard Model niet beantwoordt:
 Kan de zwaartekracht niet toetreden tot het Standaard Model ?
 Wat is de oorsprong van de massa van de deeltjes ? (Higgs boson)
 In hoeveel dimensies leven we ?
 Hebben we nu echt de fundamentele elementaire deeltjes ?
 Zijn er nieuwe symmetrieen in de natuur ?
 Waarom zijn er slechts drie families van fermionen ?
 Waarom is er meer materie dan anti-materie in ons universum ?
 Zijn protonen stabiel ?
 Wat is die donkere materie en donkere energie ?
 Wat zullen we observeren bij nog hogere temperaturen of energiën ?
 Waarom zijn de neutrino massa’s zo klein ?
ELEMENTAIRE DEELTJESFYSICA
(DE LHC)
CERN, Geneve
de ‘Large Hadron Collider’ of LHC versneller
s = 14 TeV
botsen van protonen s = 14 TeV vanaf de zomer van 2007
Hoezo ‘hoge’ energie ?
Kinetische energie auto
van 1000 kg die 180
km/uur rijdt:
1
Glas cola levert bij
verbranding
420 kJ
mv  1.25 MJ
2
2
1 electron die potentiaalverschil
van 1 V overbrugt:
1 eV  1.6  10
Kinetische energie mug
7 TeV = 1 mJ = 10-20 m
19
J
Protonen in LHC: ‘s werelds krachtigste microscoop
De CERN versnellertunnel
Botsingen van protonen bij LHC
s = 14 TeV
27 km lang, 100 m
onder de grond
De tunnel
De Large Hadron Collider (eigenschappen)
Door elk botsingspunt per seconde
600.000.000.000.000 particles each with an energy of 7.000.000.000.000 eV
Wereldjaar van de fysica in 2005 : honderd jaar na zijn briljante jaar 1905
Met een detector kunnen we de eigenschappen meten van de
deeltjes die we produceren
botsingen bestuderen
(ATLAS detector)
Een gat in de grond van ongeveer 100m diep…
Een oude LEP detector
Typische LHC deeltjes detector
20 m
dwarsdoorsnede
energiemeting hadron
deeltjes (quarks)
impuls en lading
geladen deeltjes
magneet
energiemeting electromagnetische deeltjes
detectie en impulsmeting
van muonen
Een complexe puzzel
Find 4 straight tracks.
Duizenden deeltjes: zoek 4 sporen die bijna rechtdoor gaan
Nodig : een hoge resolutie sporendetector → NIKHEF bouwt mee
April 2005
COMPUTING ISSUES
Pure data rate:
Een van de vier
LHC detectoren
online system
multi-level trigger
filter background
reduce data volume
100 Mb/sec * ~107 sec per jaar
1000 Tb = 1 Pb per jaar
Data verwerking: het computing probleem:
Een typische botsing
Event informatie op 3d-map
Reconstrueer paden door hits
Ken type deeltje toe per object
Vind de botsingen/ deeltjes die je zoekt
Naald in een hooiberg!
Dit event is een makkelijk voorbeeld
~ 90 s bezig per event !
Dataverwerking: implicaties voor computing
In: 100 nieuwe events per seconde = 0.01 sec/event
Uit: Reconstructie en analyse
= 90
factor 9000 ‘mis’
sec/event
Alleen al om ‘bij’ te blijven:
Een computer die negen duizend keer sneller is of negen
duizend computers.
Moore’s law: 2020
Ready in 2007
Benodigde CPU:

4 LHC experimenten

Elk event meerdere keren geanalyseerd
Monte Carlo simulaties (~30 min per event)


>1000 natuurkundigen analyseren subset in detail
Rekenkracht: ATLAS @ LHC
year
CPU (3,6 GHz
Xeon equiv.)
2007 2008 2009
14k
41k
67k
2010
114k
Benodigde opslagcapaciteit:
Data Explosie: ATLAS @ LHC
year
2007
2008
2009
2010
Fast storage
(TB)
9.670
27.735
42.780 72.453
Permanent
storage (TB)
5.180
16.846
29.733 48.398
In 2010 dus … 120 duizend Tb!
GRID COMPUTING
LHC User Distribution
+
Grid: Verdeel rekencapaciteit en opslag over de wereld
Tier0 -> experiment zelf
(10x) Tier1 -> bewaren alle ruwe data (NIKHEF/SARA)
(30x) Tier2
-> user analyses
Grid Computing similar to WWW ??
WWW
Informatie lijkt lokaal
 Eigenlijk overal ter
wereld
 Jij moet informatie
vinden
 Open toegang

Grids
Rekenkracht en data
lijken lokaal
 Eigenlijk overal ter
wereld
 Taken automatisch
gerund
 Zwaar beveiligd

Privacy concerns
Aanvallen voorkomen
Het grid doet het nu al:
NIKHEF ATLAS groep: 80 jaar rekenwerk
in 1 maand
NB: NIKHEF was weer #4 (+- 100 sites nu)
Grid zoals ervaren door een van de 1500
ATLAS natuurkundigen:
Input : Ik wil event 172436 tot 172536 uit run 1239
analyseren met ATLAs versie 10.0.2.
Authentication en access: (Ivo van Vulpen is member of
ATLAS virtual organisation and is allowed to acces this
data and run on these computers for this amount of time
and the bill will be sent to that person)
Transparent: job runt op computers die de vereiste
software hebben, bijv SLC3 met ATLAS version 10.0.2
and gcc compiler 3.2 met geheugen groter dan 1 Gb.
Software die de node dichtst bij fysieke data file vindt om
data transfer te voorkomen (Taiwan, VS, Oslo, NIKHEF)
Output : Data file met histogrammen door mij op te halen
van de computer waar de job gerund heeft.
CONCLUSIES
Elementaire deeltjesfysica.
Fundamenteel onderzoek staat aan de rand van (weer) een
grootschalige doorbraak. NIKHEF doet vooraan mee.
Grids en wereld-wijde gedistribueerde computing
Geinspireerd door grootschaligheid fundamenteel onderzoek.
Werkt nu al. Meerdere grids en user communities (genetici,
meteorologen, …). Enorme schaalvergroting nu!
Meer informatie:
[email protected]