Distribuované výpočty v astronomii - 1. díl - úvod + LHC@home

Víte, že můžete například pomáhat ve výzkumu léků proti smrtelným chorobám, gravitačních vln ve vesmíru, nebo modelování Mléčné dráhy v době, kdy píšete v textovém editoru, při práci ve skladovém programu, při stahování dat, při sledování filmu, nebo když si popíjíte svůj šálek kávy a nechce se vám na tu chvíli vypínat počítač?
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).

Jelikož většina počítačů na světě využívá svůj plný výpočetní potenciál jen velice malou část své provozní doby, ale jejich spotřeba elektřiny je jen o málo nižší než kdyby byly vytíženy naplno, je obrovská škoda tohoto lenošení počítače nevyužít a málokdo si uvědomuje, kolik takového nevyužitého výkonu na světě vlastně je.

Stručně řečeno, existuje více než sto různých vědeckých projektů, které prostřednictvím DC distribuují svá data pro zpracování na běžné počítače a některé jsou na tomto distribuovaném výkonu dokonce závislé. V DC platí do písmene pořekadlo "Nemusí pršet, stačí když kape" a zde kape ze stovek tisíc obyčejných počítačů na světě takový výkon, který převyšuje několikanásobně výkon i těch největších superpočítačů světa. Na těchto superpočítačích je v dnešní době obrovská fronta zájemců o zpracování dat a zároveň to stojí obrovské peníze. Prostřednictvím DC se tedy otevírá cesta i malým vědeckým skupinám, školám, či individuálním vědcům, kteří nemají prostředky pro takovéto placené zpracovávání a na svém počítačovém vybavení by tím strávili desítky, možná i stovky let.
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.

O částicovém urychlovači LHC se toho v poslední době napsalo poměrně hodně. Málokdo ovšem ví, že při jeho plánování a realizaci pomáhaly desetitisíce běžných lidí a více než 2000 jich bylo z naší země.

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.

Před vědci a projektanty stál náročný úkol: Donutit částice, které v přírodě putují převážně po přímce a do jiného směru se dostanou obvykle jen odrazem nebo srážkou, aby začaly obíhat v kruhu a přitom nabíraly rychlost téměř až k rychlosti světla. Úkol je ztížen potřebou udržet svazek částic co nejkoncentrovanější u středu prstence. Pokud by se totiž částice rozeběhly, narazily by v konečné fázi do stěny a došlo by k jejich ztrátě.
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.

K tomuto účelu bylo do podzemí dopraveno a s obrovskou přesností umístěno 1232 dipólových supravodivých magnetů, každý o průměru 1m, 15 metrů dlouhý a váze 34 tun, které obstarávají urychlení a "stáčení" svazku, a 392 kvadrupólových magnetů (5 - 7 m dlouhých), které "stlačují" částice ke středu svazku. Těsně před srážkou pak další typ magnetu částice ještě více stlačí k sobě, aby se zvýšila pravděpodobnost srážky. Tyto magnety umožní dosáhnout až 7x větší energie při srážce protonů než dosud největší urychlovač světa Tevatron v Batávii, Illinois (USA). Částice bude udržovat v přesně řízené dráze a navádět ke srážkám magnetické pole o intenzitě až devíti tesla (už magnetické pole o intenzitě půl Tesla dokáže člověku vytrhnut kovové pero z ruky i kdyby se ho snažil jakkoliv udržet). Průměr shluku částic bude pouze šestnáct mikrometrů (což je přibližně 5x méně než tloušťka lidského vlasu). Ročně bude LHC produkovat 15 petabajtů dat (15 a 15 nul), což je zhruba 1% z celého objemu informací na světě.
 

V urychlovači je umístěno šest různě velkých detektorů od velikosti katedrály se samostatnými pracovišti za několik desítek milionů euro až po rozměry malé skříňky. Jedná se o experimenty Atlas, CMS, Alice, Totem, LHCb a LHCf. Výzkum je zaměřen na hledání nových částic, zkoumání změn vlastností hmoty, rozpadu částic, antihmoty a mimo jiné též na odhalení supersymetrie. Všechny tyto výzkumy by nám měly pomoci lépe pochopit, co se vlastně dělo po velkém třesku a najít odpovědi na spoustu dosud nezodpovězených otázek.
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.

Další hádanka se týká možného sjednocení známých sil ve vesmíru, tedy objevu tzv. Supersymetrie (SUSY). SUSY předpokládá, že každá známá částice má svého supersymetrického partnera. Když byl vesmír ještě mladý a o hodně žhavější než dnes, všechny tyto síly se chovaly jako jedna. Pokud má SUSY pravdu, pak supersymetrické částice by měly být nalezeny v LHC. Pokud by se podařilo najít obecnou rovnici, která by spojovala všechny čtyři síly, daly by se díky tomu vypočítat a objasnit prakticky veškeré fyzikální události ve vesmíru. V prvé řadě půjde o nalezení teorii sjednocující popis silné a elektroslabé interakce.

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."
 

Začneme nejvýznamnějším experimentem, který se jmenuje ATLAS. Je to zkratka z anglického A Toroidal LHC ApparatuS, čili Toroidální přístroj LHC. Toroid je tvar, který má např. duše kola. Rozměry Atlasu jsou 46 x 25 x 25 m a váží 7000 tun. Je to víceúčelový přístroj, který má bádat v širokém oboru fyziky, což obsahuje hledání Higgsova bosonu, dalších dimenzí a částic, které by měly tvořit temnou hmotu. Jen pro představu o objemu generovaných dat uvádím, že v Atlasu je rozmístěno 100 000 000 detektorů. Systém vybere každou sekundu z 1 miliardy událostí 100 "nejzajímavějších", a ty teprve pošle k dalšímu zpracování.

Dalším experimentem je ALICE (A Large Ion Collider Experiment, Experiment s velkým iontovým "srážečem"). Zařízení je 26 m dlouhé s průměrem 16 m a váhou 10 000 tun. Je umístěno na území Francie, kam LHC zasahuje. V Alici se budou srážet ionty olova, aby napodobily podmínky těsně po Velkém třesku v laboratorních podmínkách. Ze získaných údajů budou fyzici usuzovat na podmínky v kvark-gluonovém plazmatu těsně po Velkém třesku.

CMS (Compact Muon Solenoid, čili Kompaktní Mionový solenoid) je o něco menší než ALICE (21x15x15 m) a váží 12 500 tun. Stejně jako Alice je umístěn na francouzském území, ale jeho zaměření se podobá Atlasu. Také CMS bude hledat Higgsův boson, dodatečné dimenze a částice tvořící temnou hmotu, ale jinými metodami.

LHCb (LHC beauty - LHC kráska) není název módního magazínu. Beauty je jménem jednoho z kvarků, základních kamenů jaderných částic, protonu a neutronu. Rozměry je LHCb podobný CMS, ale váhou je poloviční. Také tento experiment je na francouzském území a měl by nám pomoci pochopit, proč je náš svět tvořen hmotou a ne antihmotou.

Dva poslední experimenty zkoumají něco, co jsme se ve fyzice neučili. Forward particles jsou částice, kterým se nepovedlo trefit se do cílové částice naplno, jen sklouzly po jejich povrchu. Zapomeňte na představu kulečníkových koulí. Jaderná částice je "tvrdá" uprostřed, ale čím dál k povrchu je "měkčí". Potom přichází pojem "efektivní průřez", mluvíme tedy o ploše, u které se dá mluvit o přímém zásahu, a o vzdálenosti od středu, kdy se částice odrazí, sklouzne, ap.

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.

Poslední experiment, LHCf (LHC forward) využívá Forward particles k simulaci kosmického záření v laboratorních podmínkách. Kosmické paprsky bombardují zemskou atmosféru a vytvářejí kosmické spršky, které dopadají až na zem. Ty v přírodě zkoumá Pierre Auger Observatory v západní Argentině (viz Google Earth, zadejte Pierre Auger), na které se podílejí i čeští vědci. Simulace v laboratorních podmínkách pomohou vědcům interpretovat výsledky získané v reálném světě. V porovnání s ostatními je to "experimentíček" s dvěma detektory, každým s rozměry 30 x 80 x 10 centimetrů a hmotností 40 kg.

Celý tento kolos ovšem vděčí za svůj zrod, precizní nastavení a teoretické simulace oběhu částic nutných pro bezproblémový provoz i zcela obyčejným lidem. Pro tento účel vyvinul Frank Schmid z CERN AB univerzity program SixTrack. Jeho hlavním cílem je generování jednotek a analýza výsledů, které tvoří základ pro ověření dlouhodobé stálosti oběhu částice v LHC. Po připojení k projektu LHC@Home si program BOINC Manager sám stáhne ze serveru vše potřebné i nějaká ta data na zpracování, pokud jsou k dispozici. Každá výpočetní jednotky obsahuje simulaci v podobě 60 částic, jak cestují kolem prstence urychlovače LHC po 1.000.000 oběhů. To může znít jako hodně, ale je to méně než 10s v reálném světě. Na druhou stranu je to dostatečné množství na to, aby test prokázal, zda paprsek má stálou oběžnou dráhu pro další, mnohem delší čas oběhu, nebo hrozí ztráta kontroly a odchýlení kurzu do stěn LHC. To by znamenalo velmi vážný problém, který by mohl mít za následek zastavení stroje, případně dočasné ohrožení jeho provozu a tím výpadek celého projektu na několik měsíců. Opakováním tisíců takových výpočtů pro nejrůznější podmínky bylo možné nastavit parametry, za kterých bude paprsek stabilní. Na základě těchto výpočtů docházelo k postupnému usazování a kalibrování každého z téměř 1300 gigantických magnetů. Od roku 2004 a zvláště v roce 2005 byl projekt na BOINC velice aktivní a spousta výsledků z projektu LHC@Home byla použita při stavbě urychlovače, následně již docházelo jen k občasnému uvolňování dat pro zpracování. Zvláštní význam měla právě data z křížení paprsků, které určila, jak a kde se dva protony srazí uvnitř urychlovače LHC. Výsledky z těchto studií byly prezentovány také na evropské konferenci o částicových urychlovačích v Edinburgu.
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.

Postup je naprosto jednoduchý. Stačí mít k dispozici počítač s připojením na internet a postupovat například dle tohoto návodu -->>.
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