Jugar y aprender con el LHC en casa

T.E.L: 6 min.

La aplicación MINERVA es una herramienta desarrollada para ayudar a estudiantes a aprender más sobre el experimento ATLAS y la física de partículas en CERN. Además, el LHC@Home, renovado.

MINERVA está basado en Atlantis, el visualizador de eventos usado en ATLAS para ver qué sucede en el detector. El objetivo de MINERVA es darles a los estudiantes una mejor comprensión de cómo funcionan los detectores de partículas y la física de partículas que estos estudian. Actualmente, en MINERVA, estudiantes pueden estudiar eventos de bosones W y Z mediante la observación de sus productos de decaimiento y aplicar este conocimiento a la búsqueda del bosón de Higgs. Los estudiantes también pueden buscar el decaimiento de hadrones neutros buscando pares de trazas opuestamente cargadas originando de un vértice que está desplazado de la interacción principal.

MINERVA ha sido usado alrededor del mundo en Masterclases de Física de Partículas desde 2008, usando datos simulados. En la primavera de 2011, datos reales de colisiones del LHC será usado por primera vez en una serie de Masterclases internacionales.
El proyecto MINERVA es una empresa conjunta entre el Laboratorio Rutherford Appleton (RAL) y la Universidad de Birmingham.

Para acceder a MINERVA (acrónimo de Masterclass INvolving Event Recognition Visualised with Atlantis) iremos a: http://atlas-minerva.web.cern.ch/atlas-minerva/.

Al ingresar al sitio veremos dos botones, uno para Iniciar Minerva y otro para recursos.

Se puede correr la aplicación online o bien descargarla. Para esto último y para entender mejor qué es y cómo usar este recurso iremos a la opción Recursos de Masterclass. Eso nos redigirá a otra web, por ahora sólo en inglés.

La aplicación está creada en Java, y es necesario tener Java instalado para que corra.

Al descargar el archivo zip recomendado (desde la página de recursos) tendremos en nuestra pc la aplicación Atlantis y un conjunto de eventos de prueba.
Para ejecutar la aplicación alcanza con pulsar dos veces en Atlantis.jar.
Lo que veremos es esto:

Para entender qué estamos viendo podemos acceder a tutoriales en pdf y también inspeccionar la web:

El visualizador de eventos muestra el mismo evento en tres diferentes vistas: de fondo, de costado y el calorímetro enrollado.
En verde se muestra el calorímetro electromagnético.
En Rojo se muestra el calorímetro hadrónico.
En negro se muestra el detector interior o Tracker.
En azul se muestra el detector de muones.

La idea es que el conjunto de datos inicial (test events) deben clasificarse en una de cinco categorías. Primero hay 5 eventos de práctica.
¿Cómo saber si hemos clasificado los eventos correctamente?
Una vez que recorrimos la web llegaremos a Envía respuestas. Por experiencia, esa nueva página no se carga bien en todos los navegadores web.
Esa página, en Firefox, se ve así:

¿Y cómo sabremos clasificar cada evento?
Pues, esa es la parte más interesante.
Si vamos a la parte de ayuda, encontraremos un pdf tutorial:
http://atlas-minerva.web.cern.ch/atlas-minerva/answers/help.html

Y en la página de recursos antes señalada, tendremos más ayuda.

El primer tutorial en pdf indicado es cortito, pero la presentación ppt o en formato PDF de la página de recursos (donde dice paperwork) es mucho más detallada.

Una primera aproximación gráfica es la que sigue:

Identificación de muones (u)
-track (puntos rojos) en el detector muón (detector azul)
-track correspondiente (línea azul) en el detector negro.

Identificación de electrones (e)
-gran depósito de energía en el calorímetro EM (verde)
-Sin depósito de energía en el calorímetro H (rojo)
-traza (línea azul) en el detector negro en el frente del calorímetro

Identificación de jets
-gran depósito de energía en EM (verde)
-depósito de energía en H (rojo)
-múltiples trazas (líneas azules) en el detector negro.

-Identificación de neutrinos (v)
-indirectamente por la energía perdida, ET, línea roja punteada.

Con la presentación en PDF tenemos más ejemplos:

Ejemplo de W->ev
Características:
Electrón con gran energía transversal
Neutrino medido indirectamente por esa gran energía "side-way".
El electrón deposita su energía en el calorímetro EM (verde)
Lo que vemos aquí es energía depositada en espacio. La longitud da la magnitud, pero no significa que salga del calorímetro, está todo dentro.
Además se ve la traza en el detector negro como una línea azul-celeste.
Esto lo vemos en ambas vistas. Esta traza, si es un electrón debe tener un momentum de pt>10GeV. Para saberlo, a la derecha tenemos un Atlantis GUI con un conjunto de íconos. Pulsamos el ícono de "mano", luego pulsamos la traza en el detector negro (la línea celeste). Al hacerlo, la traza seleccionada se volverá gris y en la parte derecha y abajo aparecerán una serie de datos, entre los que figura PT.

En el evento 1:

Además, el electrón deposita energía transversal (side-way energy, ET) en el EM. Para verlo, usamos el ícono de mano y pulsamos la parte púrpura-rosada y vemos los datos.
En el evento 1:

(En las imágenes se ve un puntero azul de mi mouse y no el puntero usado en la GUI, pero es lo mismo).

El neutrino se mide indirectamente por la energía perdida (ET miss) mayor a 10GeV. Es la línea roja punteada cuyo valor está dado por el segundo gráfico en la aplicación.

Por lo expuesto, el evento 1 es de tipo W->ev, así que elegimos esa opción en la página de respuestas.

Acto seguido, en la parte derecha de la aplicación, arriba, pulsamos en el ícono "siguiente" (flecha hacia la derecha) y podremos clasificar otro evento.

Así podremos ir aprendiendo cómo clasificar cada evento. Los primeros cinco son relativamente fáciles. Después es posible correr otros conjuntos de datos más difíciles.

Más ciencia ciudadana con el LHC

Cuando se lanzó LHC@Home en 2004 se hizo con la idea de ser un proyecto de participación del público en la celebración del 50º aniversario de CERN. Pero luego de un par de semanas online, el proyecto tenía miles de computadoras asociadas.
Pero con el advenimiento de mejores computadoras y el software de máquinas virtuales -que permite a las computadoras imitar diferentes sistemas operativos-, hay nuevas preguntas que se pueden contestar gracias a la computación voluntaria distribuida. Un nuevo proyecto, LHC++@Home, correrá simulaciones de física de alta energía en computadores ordinarios. Aunque está en etapa de prueba, el proyecto pronto será una forma de que los voluntarios ayuden a los científicos de CERN a conducir investigaciones desde la comodidad de su hogar.
LHC@Home 2.0 corre simulaciones que son importantes porque resolver la dinámica de muchas partículas es tan difícil como construir los aceleradores y experimentos que realizan las colisiones en el mundo real. El primer proyecto de la plataforma se llama Test4Theory.

Para unirse a LHC@Home 2.0 es necesario contar con un código de invitación. Puede obtenerse enviando un mail a los encargados del proyecto. Desconozco si evalúan el pedido de alguna forma o si directamente envían el código a todo el que lo solicite. Yo lo solicité y lo obtuve inmediatamente. Una de las personas a cargo de otorgar esas solicitudes y es un español: Daniel Lombraña González.

Para correr estas simulaciones es necesario contar con dos aplicaciones instaladas:
VirtualBox y el cliente BOINC.

Antes de instalar VirtualBox debemos saber si contamos con los recursos necesarios: al menos 512 MB de RAM y más de 9 GB de espacio libre en disco.
Si esto lo tenemos, podemos entonces descargar la aplicación de acuerdo al sistema operativo que tengamos.
Luego, si no lo tenemos, instalaremos el cliente BOINC para el sistema operativo correspondiente.
Para incluir a Test4Theory en BOINC debemos crear una cuenta en la página del proyecto, tras lo cual será sencillo agregar el proyecto a BOINC, con la URL: http://boinc01.cern.ch/test4theory.

Es posible que la aplicación no baje tareas (Workunits) o que finalice abruptamente o que no corra bien VirtualBox. Para todos esos u otros problemas existe un foro.
A veces, los que usamos estas aplicaciones somos un tanto solitarios y no nos gusta hacer preguntas, sino más bien encontrar una solución por nuestra cuenta. Sin embargo, en este caso, es bueno igualmente informar de estos escollos porque por eso es una versión de prueba.
De hecho, yo estoy teniendo algunos problemas y los estuve tratando de solucionar, sin hallar todavía una solución.
Sin embargo, hay varias personas que lo corren sin obstáculos y es otra forma de utilizar para fines útiles el tiempo muerto de nuestro ordenador.

Nota escrita para el XXI Carnaval de la física, en esta edición hospedado por La vaca esférica. Para unirse y leer las entradas existe una red social en Ning.

Fuentes y links relacionados

Sobre las imágenes

Capturas de pantalla de MINERVA. Crédito: CERN-Laboratorio Rutherford Appleton (RAL) y la Universidad de Birmingham.
Captura de pantalla de LHC@Home. Crédito: CERN.