Uutta LHC-dataa ennnätysenergialla tulossa Suomeen

Cernissä, Genevessä on käynnistynyt LHC-hiukkastörmäyttimen (Large Hadron Collider) toinen mittausjakso entistä korkeammalla törmäysenergialla. Hiukkaskokeiden tarkoituksena on tuottaa tietoa aineen perusrakenteesta. Korkeampi törmäysenergia tarjoaa harvinaisen mahdollisuuden ymmärtää luonnon monimutkaisuutta ja löytää uusia hiukkasia. Fyysikoiden kokeet muodostavat myös suuren tietoteknisen haasteen maailmanlaajuiselle hajautetulle laskentajärjestelmälle Worldwide LHC Computing Grid (WLCG), jossa Suomi on aktiivisesti mukana.

LHC-hiukkastörmäyttimen, sen koeasemien ja hajautetun laskentajärjestelmän suorituskykyä on kasvatettu törmäyttimen 27 kuukauden pituisen huoltoseisokin aikana. Hiukkastörmäyttimen ensimmäisen ajojakson aikana vuosina 2010-2013 törmäysenergiassa päästiin arvoon 8 TeV (TeV = 1012 elektronivolttia). Silloin Cernissa taltioitiin noin 1 GB/s (GB = 109 tavua) mittausdataa, mutta nyt arvioidaan, että tallennusnopeus kasvaa arvoon 6 GB/s ja jopa siitä huippuarvoon 10 GB/s.

"Tämä tarkoittaa, että mittausdatan koko tulee olemaan useita kymmeniä petatavuja vuodessa", sanoo projektipäällikkö Dan Still CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy:stä.  Yksi PB on yhtä paljon kuin 1015 tavua.

"Yksi petatavu vastaa noin 210 000 yksikerroksisen yksipuolisen DVD-levyn tallennustilaa".

Törmäysenergian arvolla 13 TeV saa ehkä lisää tietoa pimeästä aineesta

jakso käsittää vuodet 2015-2018. Ajossa protonit kiertävät kiihdytinrenkaassa vastakkaisiin suuntiin lähes valon nopeudella. Protonisuihkujen intensiteettiä kasvatetaan ajon aikana niin, että törmäystaajuus nousee miljardiin sekunnissa, ja törmäysenergiassa päästään arvoon 13 TeV.

"Törmäysenergian kasvu lisää harvinaisten hiukkasten tuottotodennäköisyyttä jopa kymmen-, sata- tai jopa tuhatkertaiseksi, mikä mahdollistaa uusien hiukkasten löytämisen", sanoo projektipäällikkö Tomas Lindén Fysiikan tutkimuslaitokselta.

Cernin ATLAS- ja CMS-kokeet ilmoittivat heinäkuussa 2012 uuden, noin 126 GeV painavan bosonin löytymisestä. Myöhemmin se vahvistettiin kauan etsityksi Higgsin bosoniksi. Nyt suurempi törmäysenergia ja korkeampi törmäystaajuus mahdollistavat myös Higgsin bosonin ominaisuuksien tarkan tutkimisen ja vertailun hiukkasfysiikan standardimallin kanssa.

Tutkimustyön yhtenä kiinnostavimmista tavoitteista on etsiä niin sanottuja supersymmetrisiä hiukkasia, joita teoria ennustaa.

"Tämä on kiinnostavaa koska, kevyin supersymmetriahiukkanen on yksi pimeän aineen kandidaateista", Lindén sanoo.

"Pimeän aineen osuus maailmankaikkeuden ainesisällöstä on noin 84,5 prosenttia, mutta siitä tiedetään vielä kovin vähän".

Suomi on liitetty pohjoismaiseen LHC-verkkoon nopeudella 10 Gb/s

Suomen laskentaresursseilla etsitään sähköisesti varattuja Higgsin hiukkasia ja tutkitaan b-kvarkkeja sekä lyijy-lyijy -törmäyksissä syntyvää kvarkki-gluoni -plasmaa. Maa on liitetty Pohjoismaiseen LHC-verkkoon nopeudella 10 Gb/s, ja nopeimmillaan dataa siirtyy Yhdysvaltojen Fermilabista Suomeen nopeudella 525 MB/s.

Fyysikot analysoivat LHC-törmäysdataa paikallisissa yliopistoissaan tai instituutioissaan ympäri maapallon käyttäen WLCG:n laskentaresursseja. WLCG:llä ajettavien analyysiohjelmistojen suorituskykyä on nyt kasvatettu. Myös grid-väliohjelmistoja on päivitetty, jotta tietovarastoja voidaan käyttää entistä joustavammin verkon yli.

Iso data-aineisto on hajautettuna verkostomaisesti eri keskuksiin

Cernissä käytettävä laskentamalli toimii niin, että raakadata esikäsitellään Cernissä ja Unkarissa niin sanotulla 0-tason resurssilla, josta se hajautetaan kolmeentoista eri maissa sijaitsevaan 1-tason keskukseen. Näiden tehtävänä on tallentaa ja käsitellä dataa sekä tarjota data-palveluja grid-laskentamenetelmiä käyttäen Cernille sekä pienemmille 2-tason keskuksille, joiden tehtävänä on tarjota levytilaa sekä edellytykset simulaatioille ja data-analyyseille.

Nordic e-Infrastructure Collaboration (NeIC) tarjoaa yhden pohjoismaisen 1-tason resurssin. Tämä resurssi on hajautettu Suomeen, Ruotsiin, Norjaan ja Tanskaan. CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy ylläpitää Suomen osuutta tästä hajautetusta resurssista. Mukana resurssin toiminnassa on myös Fysiikan tutkimuslaitos (HIP). Tämän lisäksi Suomessa on myös 2-tason resurssi, joka on toteutettu HIP:in ja CSC:n yhteistyönä.