Česká astronomická společnost
| Distribuované výpočty v astronomii - 1. díl - úvod + LHC@home | 2010.03.11 14:00 |
|
|
Pokud nejste studovaní vědci, odborníci v daném oboru, lidé s obrovským množstvím času potřebného na amatérské bádání, ani nepracujete ve výzkumných ústavech, rozhodně nepřestávejte číst dál, jelikož tento článek je určen právě vám a právě takoví lidé dnes velkou mírou pomáhají v různých oblastech moderní vědy. Zdá se to neuvěřitelné, ale pokud ve vás dřímá alespoň nepatrný zájem o vědu, či prostě jen chcete pomoci ve výzkumu v některé z oblastí vědy, stačí vám k tomu obyčejný domácí počítač, notebook, nebo třeba herní konzole PS3 a občasné připojení k internetu. Výzkum, který bychom vám chtěli představit, je zaměřený pro všechny, kteří chtějí prostřednictvím svých počítačů na dálku vědcům pomoci, a nazývá se distribuované výpočty (dále jen DC).
Zapojení do jakéhokoliv DC projektu spočívá pouze v instalaci klienta a ten už většinou dokáže provádět veškeré potřebné činnosti a starat se o konkrétní aplikace. Po nainstalování je klientovi (i aplikacím projektů) automaticky systémem přidělena nejnižší priorita. Jinými slovy, jakýkoliv běžný program má na vašem počítači přednost před DC výpočty. V praxi to funguje tak, že při práci na vašem počítači prakticky nepoznáte, že je na něm klient nainstalován a pracuje. Aplikace DC využívají pouze zbytkový výpočetní prostor, maximálně pružně ustupují programům, které používáte, a pokračují ve výpočtech, až když mají opět k dispozici alespoň nějaké to procento výkonu procesoru. Většina projektů funguje tak, že celková práce je rozdělena na spoustu dílků a ty jsou následně rozesílány na jednotlivé počítače, které si o ně řeknou. Po zpracování každého dílku jednotlivé počítače samy odešlou výsledná data zpět do centra projektu a tam dojde ke spojení výsledků opět do jednoho celku. Tímto způsobem je možné zpracovávat obrovská množství dat s minimálními požadavky na jednotlivé stroje, protože tyto dílky mají většinou jen malou velikost a výpočty trvají od několika minut do několika hodin. Počtáři tak společně tvoří obrovský stroj, který pomáhá téměř ve všem, co vás napadne. Váš jeden domácí (i třeba stařičký) počítač se tak může stát jedním z mnohaset tisíc procesorů v obrovském superpočítači. Nemusíte jej zapínat nijak častěji než při běžném používání, ale při brouzdání na internetu či jiné činnosti můžete zároveň pomáhat vědcům v jejich výzkumech. Kouzlem celého DC je rovněž to, že si sami můžete vybrat, kterému projektu chcete pomoci a také v jakém rozsahu. V distribuovaných výpočtech za ta léta již vznikla celá řada astronomických projektů. V tomto seriálu se podíváme podrobněji na šest z nich, které jsou zařazeny do systému BOINC. V tomto systému se lze podílet na několika projektech současně při instalaci pouze jediného obslužného programu - BOINC Manager. První z projektů který si představíme, má již svůj základní výzkum ukončený a bezezbytku splnil všechny dosud vytyčené cíle. Výsledky projektu byly přímo použity ke konstrukci a spuštění největšího stroje na Zemi. LHC (Large Hadron Collider) je největším vědeckým přístrojem na světě. Postavila jej evropská organizace pro nukleární výzkum (CERN), která provozuje světově největší jadernou fyzikální laboratoř a sdružuje výzkum více než dvaceti států. Za svou existenci byly její výzkumy odměněny několika Nobelovými cenami a momentálně zaměstnává více než 3000 lidí. V CERNu byl například vyvinut Word wide web (WWW), původně určený pro potřeby vzájemné komunikace vědců. LHC byl vybudován přímo u výzkumných laboratoří CERN na okraji Ženevy ve Švýcarsku. Tento kolos se nachází 50 až 175 metrů pod zemí. Tvoří ho 27 km dlouhý tunel s průměrem téměř čtyři metry a částí svého obvodu zasahuje na území Francie. Celý komplex je za pomoci desítek tun tekutého hélia ochlazovaný na přibližně mínus 271 °C. V prstenci urychlovače je udržováno vakuum srovnatelné s vakuem ve vesmíru. Po obvodu urychlovače jsou umístěny jednotlivé testovací komory (experimenty): ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM a LHCf. Projektu se účastní kolem sedmi tisíc fyziků světa a jeho cena je odhadována na osm miliard dolarů.
V průběhu pokusu jsou dva svazky částic urychlovány v protisměru téměř k rychlosti světla a po dosažení patřičné rychlosti jsou přivedeny do testovací komory, kde se srazí. Obrovská energie, kterou si sebou přinesou, vede ke vzniku nových částic, které se rozlétnou z místa srážky do všech směrů. Komplexní soustava detektorů, kterými jsou stěny komory osazeny, pak zaznamenají průběh srážky a údaje předají ke zpracování. LHC bude nahrazovat původní urychlovač LEP (Large Electron Positron collider). Uvnitř prstence jsou částice urychlované elektrickými poli, které tvoří nabité radiofrekvenční (RF) dutiny. Když nabité částice procházejí příčnou RF dutinou, elektrické pole uvnitř dutiny jim dá "kopnutí" - přidá jim energii - radiová vlna je posune a tím i urychlí. Pro požadované urychlení částic je potřeba milionů takovýchto kopnutí, pro které by bylo třeba ovšem dráhu dlouhou několik tisíc km. Díky zakřivení dráhy paprsku máme ovšem možnost stejné urychlení realizovat v kruhovém potrubí a právě proto mají urychlovače tento kruhový půdorys. Zakřivení dráhy svazku je zajištěno pomocí magnetického pole dipólových magnetů. Říká se jim "ohnuté magnety". Je to proto, že síla magnetu použitá na přesun nabité částice je vždy kolmá k jejich směru, a tedy dokonalá pro zakřivení dráhy. Pro ohyb 7 TeV protonu kolem prstenu v LHC musí být dipól schopen produkovat magnetické pole 8,36 tesla. Takovouto hodnotu je možné dosáhnout pouze za použití supravodivosti. Toho jsou schopny některé materiály obvykle za velmi nízkých teplot, kdy vedou elektrický proud bez odporu a ztrátového výkonu a za těchto podmínek produkují silné magnetické pole. Částice s vyšší energií potřebuje k ohybu své dráhy silnější magnetické pole. Kromě zakřivení paprsku je také nezbytné udržovat jej v ohnisku. Tak jako výstřel z kulovnice má letovou křivku, tak i rozptyl svazků částic probíhá svojí drahou v urychlovači. Zaostřováním svazku na jeho šíři a výšku mohou být částice vázané tak, aby zůstaly uvnitř kruhové vakuové komory. Toho je dosaženo kvadrupólovými magnety, které působí na svazek nabitých částic stejně jako čočka by působila na paprsek světla.
Nalezení nových neznámých částic je jedním z očekávaných výsledků tohoto experimentu. Teorie a objevy tisíců fyziků v minulých staletích vytvořily základ teorie, která je nazývána Standardním modelem částic a sil. Standardní model je fyzikální teorií, která dosud nejlépe předpovídá obrovskou různorodost úkazů ve vesmíru. Nicméně fyzici vědí, že to nemůže být konec příběhu, protože je tu ještě mnoho nevyřešených otázek. Podle prozatím nejpřesvědčivější teorie rozšiřující současný standardní model byl základem celého vesmíru prostor naplněný takzvaným Higgsovým polem. Částice, které byly ovlivněny silně Higgsovým polem jsou těžké, zatímco ty které byly ovlivněny slabě jsou lehké. Higgsovo pole by mělo mít přinejmenším jednu dosud neobjevenou částici, a tou je Higgsův boson. Vědci věří, že tato částice existovala jen několik okamžiků po velkém třesku, v současnosti ale není ve vesmíru přítomná. Enormní soustředění energie, které můžeme dosáhnout při srážkách mezi částicemi jako jsou protony v urychlovači, mohou obnovit podmínky ranného vesmíru a generovat částice jako Higgsův boson na zlomek času, než u nich dojde k rozkladu na mnoho běžných částic. Jestli taková částice existuje - na tuto jednu z mnoha otázek bude schopen LHC brzy odpovědět.
Toto je jen několik málo otázek, na které by LHC měl odpovědět, ale historie prokázala, že největší pokroky ve vědě jsou často neočekávané. Ačkoli máme dobrý nápad, doufáme, že díky poznatkům z LHC nám příroda odkryje mnoho překvapení, které má zatím pečlivě schovaná. Je dokonce možné, že v LHC budeme například schopni vytvořit mikroskopické černé díry. Ovšem nejedná se o žádnou hrozbu, jak to velmi rády překrucují různé bulvární média, toho se rozhodně nemusíte bát. "Jde vlastně o stroj času," tvrdí Julia Hoffmanová, fyzička z texaské univerzity. "Vracíme se zpět ke vzniku všeho."
TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement - Měření celkového elastického a odrazového průřezu) zkoumá "Forward particles" a kromě dalších studií bude zkoumat velikost protonu. Rozměry zařízení jsou grandiózní: měří 440 x 5 x 5 metrů, váží "pouhých" 20 tun, a je umístěn poblíž experimentu CMS na francouzském území.
Na stavbě urychlovače se takto podílelo celkem 53 703 lidí na světě, z toho 1 658 Čechů. Česká republika je dosud osmou zemí na světě dle odvedeného výkonu a Czech National Team dokonce čtvrtým nejvýkonnějším z téměř 3000 týmů světa.
Projekt LHC@home je stále ještě v provozu, ovšem práci uvolňuje jen nahodile v malých dávkách. Slouží tak jen pro občasné propočty nových nastavení, jako reakce na momentální potřeby urychlovače. Čas ukáže jestli možností tohoto projektu vědci v CERNU využijí i na zpracovávání některých (z celkového obrovského množství) dat z přímé činnosti urychlovače. Jistě by jim naše počítače byly schopné opět pomoci, stejně jako při jeho budování. Vytvoření účtu v projektu LHC@home Czech National Team v projektu LHC@home Připojit se k Czech National Teamu na LHC@Home Použité materiály: ve článku byly volně použity materiály z www.cern.ch Autoři: Dušan Vykouřil - Czech National Team Jaroslav Mikšovský - Czech National Team Korektura: Jaroslav Mikšovský - Czech National Team Grafické zpracování: Dušan Vykouřil - Czech National Team Další dva astronomické projekty již byly na astro.cz dříve představeny. Byly tedy zpětně přejmenovány jako díly: Distribuované výpočty v astronomii - 2. díl - Seti@home Distribuované výpočty v astronomii - 3. díl - Cosmology@home |
|
| Vykouřil Dušan Zobrazeno: 6406x Tisk | |
Text podléhá autorskému zákonu a nesmí být bez vědomí autora šířen.