– Инфраструктурные гранты в первый раз появились в 2019 году, и для нашего института новый конкурс оказался очень полезным, – отмечает заместитель директора Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН, заведующий кафедрой физики элементарных частиц физического факультета НГУ, доктор физико-математических наук Иван Логашенко. – В 2019 году были поддержаны 9 проектов, которые соседние институты выполняют на уникальной научной инфраструктуре ИЯФ. Кроме того, Институт ядерной физики воспользовался возможностями этой программы не только в качестве оператора инфраструктуры, но и подготовил собственный проект. Благодаря гранту нам удалось создать совершенно новую коллаборацию, причем вокруг установки мегасайенс, еще не построенной, но крайне перспективной для развития физики частиц.
Ниша для фабрики
Проект Супер С-Тау фабрики вошел в число победителей конкурса российских установок мегасайенс еще в 2011 году. Правда, финансирование проекта попало во вторую очередь, которая пока так и не наступила. Установка будет представлять собой электрон-позитронный коллайдер ультравысокой светимости. Фабрика включает уникальный ускорительно-накопительный комплекс и универсальный детектор элементарных частиц. Буквы «С» и «Тау» в названии означают, что на коллайдере будут осуществляться прецизионные измерения параметров фундаментальных частиц, рождающихся в области энергий от 2 до 6 ГэВ. К таким частицам в первую очередь относятся тау-лептон и очарованный кварк (с-кварк).
– Этот проект прекрасно встраивается в общую мировую стратегию развития физики частиц, – поясняет И.Логашенко. – Конечно, есть Большой адронный коллайдер, активно разрабатываются проекты флагманских установок нового поколения для работы в области сверхвысоких энергий. Однако, помимо этого, мировой науке для прецизионной проверки существующей теории (Стандартной модели) необходимы еще 2-3 коллайдера в области меньших энергий, в частности, B-фабрика, запускаемая сейчас в Японии, и С-Тау-фабрика, успешно работающая в Китае. Сибирская Супер С-Тау фабрика относится к установкам следующего поколения, она должна заменить китайский коллайдер, когда тот исчерпает свои возможности.
Идея о строительстве такой фабрики вынашивается в ИЯФ давно. Существует не так много установок класса мегасайенс, которые Россия может построить своими силами, при разумном объеме финансирования (стоимость реализации проекта – около 40 миллиардов рублей), чтобы они были при этом интересны и востребованы в мировом масштабе. В области электрон-позитронных коллайдеров наш институт – мировой лидер. Свыше 50 лет назад сотрудники ИЯФ во главе с академиком Андреем Будкером создали метод встречных пучков параллельно с лабораториями Стэнфорда и Принстона (США) и лабораторией ядерных исследований во Фраскати (Италия), ставший основным в физике высоких энергий.
Мировое научное сообщество проявляет к проекту Супер С-Тау фабрики живой интерес: летом 2017 года был образован Международный консультативный комитет, который собирается один-два раза в год и дает рекомендации по совершенствованию Супер С-Тау фабрики. На сегодняшний день подготовлен концептуальный проект установки. Следующий этап – разработка широкой коллаборацией ученых технического проекта, по которому коллайдер уже можно строить.
Чтобы представить себе масштаб вычислительной инфраструктуры будущей фабрики, а именно о ней идет речь в проекте РНФ «Разработка системы моделирования, обработки и хранения данных установки класса мегасайенс «Супер С-Тау фабрика», следует понимать, что в эксперименте пучки электронов и позитронов, движущиеся с огромной скоростью, сталкиваются 100-200 миллионов раз каждую секунду и частицы, рождающиеся в этих столкновениях, регистрируются детектором. В ходе проведения экспериментов с детектора элементарных частиц будет считано порядка 100 петабайт «сырых» данных. Их надо сохранить, обработать, проанализировать, выделив в триллионах событий (так физики называют рождение частиц) десяток, заслуживающих пристального изучения.
В потоке информации
– В рамках этого гранта ИЯФ смог наладить новые отношения и подключить к реализации проекта другие институты СО РАН, обладающие необходимыми компетенциями: Институт вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ), являющийся оператором Сибирского суперкомпьютерного центра (ССКЦ), и Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий (ФИЦ ИВТ), где накопился большой опыт по сбору, хранению и распространению больших данных, например, в области биоинформатики, – продолжает Иван Борисович. – Что же касается ИЯФ, мы делаем специальное программное обеспечение, необходимое для моделирования экспериментов и анализа данных. Благо, у института в этом огромный опыт: он участвовал в разработке детекторов и проведении экспериментов на многих существующих мировых установках. В рамках проекта РНФ мы разрабатываем базовый вариант системы моделирования и анализа данных, а в дальнейшем его будут совершенствовать представители мирового сообщества, участвующие в экспериментах.
Когда создается новый детектор, физики стараются применить лучшие технологии из тех, что есть, а в чем-то сделать шаг вперед. Предыдущий опыт нельзя просто перенимать в чистом виде, необходимо создавать новые модели, адекватно описывающие планируемую установку. Но при этом для решения отдельных задач можно использовать существующие в мире разработки. Например, каркас модульной системы взят в ЦЕРНе. Мы активно участвуем в разработке унифицированной модели данных для основных мировых установок в области физики частиц.
На сегодняшнем этапе развития проекта Супер С-Тау фабрики одна из важных задач для ученых – понять, как нужно оптимизировать параметры будущей установки, чтобы достичь максимальных физических результатов. Способ оптимизации известен: эксперимент полностью моделируется на компьютере. В процессе моделирования можно менять параметры детектора и других подсистем установки, приближаясь к оптимуму. Сейчас группа из ИЯФ – руководитель проекта РНФ Иван Логашенко, Виталий Воробьев, Дмитрий Максимов, Андрей Сухарев, Сергей Грибанов и Вячеслав Иванов – работает над первой задачей проекта: готовит комплекс программного обеспечения для моделирования. Уже реализована полная цепочка модулей моделирования и реконструкции данных для электромагнитного калориметра.
– С помощью программной модели для калориметра, одной из основных систем будущего детектора, мы смогли оценить возможности проектируемой системы. Эта модель будет использоваться и дальше – для последующей оптимизации конструкции калориметра и разработки алгоритмов анализа данных, – добавляет И.Логашенко. – На очереди другие подсистемы детектора: дрейфовая камера, система идентификации, мюонная система. После этого можно будет проводить более-менее полноценное моделирование всего эксперимента.
Чтобы справиться с ожидаемым потоком данных, на Супер С-Тау фабрике одновременно планируется работа от 10 до 100 тысяч экземпляров программы моделирования и анализа данных, о которой шла речь выше. Провести адекватное проектирование такой вычислительной инфраструктуры собственными силами Институт ядерной физики не мог. Здесь пришли на помощь другие участники коллаборации, созданной благодаря проекту РНФ.
Модули и модели
В вычислительной инфраструктуре каждой установки мегасайенс есть свои особенности. В случае Супер С-Тау фабрики это очень большой объем исходных данных, относительно невысокая вычислительная сложность их реконструкции, но серьезные и сложные задачи в моделировании и анализе результатов экспериментов.
– Когда будем запускать установку, потребуется оптимизация вычислительной инфраструктуры, – комментирует руководитель проекта. – Оптимизация огромной и специфической вычислительной инфраструктуры Супер С-Тау фабрики должна пойти по тем же канонам, что и совершенствование параметров детектора. Для этого группа из ИВМиМГ (директор института Михаил Марченко и специалист по имитационному моделированию Дмитрий Винс) строит систему моделирования, но уже не детектора, а всей вычислительной инфраструктуры. Это вторая задача проекта. Модель продемонстрирует, как запускаются задания на обработку, какие ресурсы будет потреблять система, каковы потоки данных. В 2019 году уже была разработана базовая модель, предусматривающая все аспекты будущего функционирования. В настоящее время продолжается работа по ее детализации и уточнению. С помощью этой модели мы сможем понять, как следует оптимально строить вычислительную инфраструктуру в реальной установке. А на этапе проектирования результаты нашей работы будут использованы для составления правильного технического задания.
Помимо большого количества программ международные коллаборации вокруг установок мегасайенс предусматривают и большое количество участников. Так, по предварительным оценкам, в работе Супер С-Тау фабрики примут участие несколько сотен физиков, причем россиян из них будет меньше половины. Неудивительно, что третья задача проекта – организовать процесс моделирования и анализа данных и обеспечить унифицированный доступ к ним всем участникам проекта. Иными словами, разработать информационную платформу с необходимыми рабочими инструментами. Здесь незаменимыми оказались компетенции лаборатории биоинформатики Федерального исследовательского центра информационных и вычислительных технологий. О том, что такое большие данные, специалисты института знают не понаслышке, доступ к мировым генетическим банкам налажен бесперебойный.
Группа из ФИЦ ИВТ в составе Федора Колпакова и Ильи Киселева работает над созданием универсальной научной платформы для моделирования, анализа и визуализации данных будущих экспериментов на электрон-позитронном коллайдере нового поколения. Построенная на основе программного комплекса BioUML платформа ранее предназначалась для решения биомедицинских задач, но совместными усилиями коллектива в нее были интегрированы инструменты, широко используемые в физике частиц. Что интересно, разработанная платформа может использоваться не только для организации обработки данных с детектора Супер С-Тау фабрики, но и для имитационного моделирования вычислительной инфраструктуры – в этом поможет специально созданный программный модуль.
Не прерывая ускорения
– Проект РНФ рассчитан на четыре года – с 2019-го по 2022-й, – рассказывает И.Логашенко. – Надо отметить, что подготовка документов на конкурс особой сложности не представляла, учитывая наш опыт по реализации других проектов Фонда. В 2019 году мы, как и было запланировано, разработали и адаптировали базовую систему, так сказать, каркас. В 2020 году встраиваем в созданный виртуальный каркас все основные составляющие детектора. Затем будем с помощью этой системы моделировать получение данных в эксперименте и разрабатывать методы их анализа.
К концу четырехлетнего цикла у нас должно быть готово полноценное программное обеспечение для моделирования и анализа, которое поможет другим физикам международной коллаборации понять, как работает эксперимент, как оптимизировать параметры систем и какие методы анализа необходимо разработать дополнительно.
Уместно напомнить, что Институт ядерной физики – единственное в мире место, где, начиная с 1968 года, постоянно работает хотя бы один электрон-позитронный коллайдер. Больше ни одна лаборатория подобной непрерывностью исследований по ускорительной тематике похвастаться не может. Строительство Супер С-Тау фабрики должно стать завершающим шагом в создании самого крупного в России ускорительного комплекса встречных электрон-позитронных пучков. Актуальность подобной установки мегасайенс для отечественной науки подчеркивает тот факт, что даже на этапе проектирования будущая фабрика постепенно становится частью международной программы исследований в области физики высоких энергий.
