Wielki zderzacz hadronów.

Wkład informatyków z AGH w odkrycie odderonu

Uczeni pracujący przy eksperymencie TOTEM w CERN (Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych) ogłosili odkrycie odderonu – cząstki elementarnej, której istnienie przewidziano prawie 50 lat temu. W pracach nad rozwojem oprogramowania oraz w badaniach informatycznych wspierających eksperyment uczestniczyli naukowcy i studenci z Wydziału Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji AGH.

Badania przeprowadzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w ośrodku naukowym CERN pod Genewą przez naukowców z eksperymentu TOTEM we współpracy z zespołem DØ z amerykańskiego ośrodka Fermilab, gdzie działał akcelerator Tevatron, dowiodły istnienia odderonu – quasi-cząstki składającej się z nieparzystej liczby gluonów. Gluony to bezmasowe cząstki elementarne pośredniczące w oddziaływaniach silnych, które zachodzą między kwarkami. Wiadomo było, że gluony mogą łączyć się w pary i tworzyć związane stany, ale dopiero najnowsze pomiary wykazały, że podobne zjawiska mogą zachodzić w przypadku nieparzystej liczby gluonów. Istnienie odderonu zostało przewidziane przez fizyków teoretyków Besaraba Nicolescu i Leszka Łukaszuka w roku 1973.

TOTEM jest jednym z eksperymentów rejestrujących wyniki zderzeń protonów w akceleratorze LHC. Detektory wykorzystywane w eksperymencie TOTEM służą do badania całkowitych przekrojów czynnych, rozpraszania elastycznego i dysocjacji dyfrakcyjnej oraz zjawiska wyłącznej centralnej produkcji cząstek. CMS jest dużym eksperymentem, którego jednym z najbardziej spektakularnych osiągnięć było odkrycie bozonu Higgsa (tzw. „boskiej cząstki”) w roku 2012. Wykorzystuje on detektor ogólnego przeznaczenia umożliwiający badania fizyki poza Modelem Standardowym, supersymetrii, ciemnej materii i dodatkowych wymiarów.

Realizacja badań przy użyciu detektorów cząstek wymaga implementacji i budowy najnowocześniejszych systemów informatycznych. Zainicjowane przez dr. Leszka Grzankę w roku 2009 staże wakacyjne w ośrodku CERN dla studentów informatyki z AGH zaowocowały nawiązaniem oficjalnej współpracy. W roku 2013 kierowana wówczas przez prof. dr. hab. inż. Krzysztofa Zielińskiego Katedra Informatyki (obecnie Instytut Informatyki) została oficjalnym członkiem eksperymentu TOTEM, a od roku 2018 bierze również udział w eksperymencie CMS. Aktualnie współpracę z CERN koordynują dr hab. inż. Maciej Malawski, prof. AGH oraz dr Leszek Grzanka.

Zespół z AGH zajmuje się nie tylko rozwojem i zapewnianiem jakości oprogramowania do rekonstrukcji danych i symulacji odpowiedzi detektorów, ale także różnymi aspektami przetwarzania równoległego do analizy dużych zbiorów danych. We współpracy z zespołem tworzącym oprogramowania do analizy danych ROOT w CERN-ie rozwijane są metody analizy danych z użyciem nowoczesnych środowisk klastrów i chmur obliczeniowych. Dzięki temu możliwe jest przyspieszenie obliczeń i wykonywanie niektórych analiz w sposób interaktywny, co nie było osiągalne tradycyjnymi metodami.

Co roku w te prace angażuje się kilku studentów w ramach wakacyjnych staży w laboratorium badawczym CERN, odbywanych w grupie kierowanej przez Valentinę Avati. Wielu z nich wiąże współpracę z eksperymentem na dłużej, realizując prace inżynierskie i magisterskie. Efekty ich prac są często włączane we wspólny wysiłek fizyków doświadczalnych z CERN-u i stanowią przyczynek do ciekawych odkryć.

Prof. Maciej Malawski jest liderem zespołu uczestniczącego w eksperymencie TOTEM od 2017 r. Ukończył studia zarówno z informatyki, jak i fizyki. Jego zainteresowania naukowe obejmują programowania i systemy równoległe i rozproszone oraz wykorzystanie infrastruktur obliczeniowych dużej skali dla aplikacji naukowych, w tym fizyki i medycyny.

Dr Leszek Grzanka ukończył studia z informatyki i matematyki, a następnie uzyskał doktorat z fizyki (w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN). W pracach eksperymentu TOTEM uczestniczy od roku 2006, zajmując się rozwojem oprogramowania koniecznego do analizy oraz rekonstrukcji danych rejestrowanych przez detektory umieszczone w pobliżu wiązki akceleratora LHC.

Wizualizacja bazy Xors na Księżycu. Cylindryczne białe budynki tworzą długi ciąg. Przekrój pozwala zobaczyć wnętrze dwukondygnacyjnego budynku. Dwójka astronautów w kombinezonach stoi przed kompleksem budynków.

Badania doktorantki AGH wykorzystane w projekcie bazy księżycowej

Wyróżniona 4. miejscem w konkursie Moon Base Design Contest baza kosmiczna Xors, w której jedną z kluczowych ról odgrywają… algi, to projekt multidyscyplinarnego zespołu Innspace. Brała w nim udział mgr inż. Ewa Borowska, część swojej pracy doktorskiej realizująca na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH.

Konkurs Moon Base Design Contest zorganizowało stowarzyszenie Moon Society z siedzibą w USA. Drużyny z całego świata zostały zaproszone do zaprojektowania habitatu księżycowego, który byłby możliwy do wybudowania w ciągu najbliższej dekady i mógł pomieścić jednocześnie dwie–trzy załogi. Czwarte miejsce zdobył projekt przygotowany przez polską grupę Innspace. Zespół tworzą specjaliści z 14 różnych dziedzin – m.in. robotyki, bioinżynierii, architektury, medycyny i grafiki 3D – wywodzący się z głównie z Politechniki Wrocławskiej. Za systemy podtrzymywania życia w projekcie bazy Xors, związane z wykorzystaniem glonów i innych mikroorganizmów, odpowiedzialna była mgr inż. Ewa Borowska, która część swoich badań z zakresu astrobiologii i przemysłu kosmicznego prowadzi w laboratorium dr. hab. Andrzeja Borkowskiego, prof. AGH.

Baza Xors składa się z czterech modułów, inspirowanych rozwiązaniem firmy Bigelow przetestowanym na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Projekt zakłada, że moduły za pomocą technologii druku 3D zostałyby pokryte grubą warstwą regolitu księżycowego, co stanowiłoby dodatkową ochronę przed promieniowaniem.

Najważniejszą częścią w projektach baz księżycowych są systemy podtrzymywania życia i systemy odpowiadające za bezpieczeństwo bazy – zaznaczają Ewa Borowska i Magdalena Łabowska, które odpowiadały za część środowiskową – Najtrudniejszym aspektem było zaprojektowanie układów bezpieczeństwa, tak aby zapewnić ochronę i prawidłowe działanie każdego z systemów podtrzymujących życie w każdych warunkach, nawet w sytuacjach kryzysowych.

Ważnym elementem systemów podtrzymywania życia są algi. Zestaw specjalnie dobranych mikroorganizmów, w tym bakterii, cyjanobakterii i mikroglonów, ma służyć do oczyszczania ścieków i innych zanieczyszczeń wodnych. Podwójną funkcję mają specjalnie dobrane mikroglony w formie paneli naściennych w każdym pomieszczeniu: ich zadaniem jest dostarczanie dodatkowego tlenu oraz przyczynianie się do komfortu wizualnego użytkowników bazy. Do tego zespół wykorzystał lampy emitujące nie tylko światło widzialne, ale też podczerwone i UV-A oraz UV-B, żeby lepiej imitować światło słoneczne. Odpowiednie światło ma ogromne znaczenie. Wybrana przez nas technologia wpłynie pozytywnie na samopoczucie astronautów, a dodatkowo będą się mniej męczyć – mówi Beata Suścicka, architektka.

Znaczny wpływ na projekt bazy miało własne doświadczenie pięciorga członków załogi, którzy brali udział w najdłuższej w Polsce analogowej misji kosmicznej, organizowanej przez Analog Astronaut Training Center, spędzając w habitacie sześć tygodni.

Jako lokalizację habitatu grupa wybrała teren w pobliżu krateru Shackleton na południowym biegunie Księżyca. To jedno z najbardziej interesujących dla naukowców miejsc, gdyż znajdują się tam zarówno obszary, które Słońce oświetla przez prawie cały czas, jak i takie, do których światło nie dociera nigdy. Dzięki położeniu na biegunie południowym baza zyskiwałaby dostęp do wody, uwięzionej w postaci lodu na powierzchni Księżyca i pod nią.

Zbudowanie bazy Xors dla kilkunastu astronautów wymagałoby kilkunastu misji przygotowawczych. Projektanci oceniają, że do transportu niezbędnych zasobów i sprzętu niezbędne byłoby 17 lotów.

Zespół Innspace ma na koncie sukcesy w innych konkursach związanych z architekturą kosmiczną: zdobył tytuł Gold Winner w konkursie Future Mars Life w Chinach i 5. miejsce w konkursie Mars Colony Prize w USA. Obecnie rozpoczął pracę nad projektem bazy na Wenus, która mogłaby się unosić na odpowiedniej wysokości w atmosferze, chroniąc astronautów przed wysokimi temperaturami panującymi na powierzchni tej planety.

Więcej informacji o zespole