Čeští studenti vytvořili v CERN systém pomáhající vědcům

Tags: Atlas | CERN | Digitální dvojčata | ITK Production Database | Studenti | Unicorn University

Stu­den­ti tu­zem­ské sou­kro­mé vy­so­ké školy Uni­corn Uni­ver­si­ty se mohou pochlu­bit ne­bý­va­lým úspě­chem. Vy­tvo­ři­li in­for­mač­ní sys­tém ITk Pro­ducti­on Da­ta­base, který za­zna­me­ná­vá každý de­tail o všech sou­část­kách vnitř­ní­ho de­tek­to­ru pro ex­pe­ri­ment ATLAS – sou­část urych­lo­va­če čás­tic v Ev­rop­ské or­ga­ni­za­ci pro ja­der­ný vý­zkum (CERN). Práce na vý­vo­ji in­for­mač­ní­ho sys­té­mu za­ča­ly v roce 2017 a od té doby se sys­tém po­u­ží­vá a roz­ví­jí.

V sou­čas­né době je téměř do­kon­če­ný a může se tak začít plně vy­u­ží­vat. Pro­jekt re­a­li­zo­val za­kla­da­tel spo­leč­nos­ti Uni­corn Vla­di­mír Kovář a ře­di­tel IT Uni­corn Uni­ver­si­ty Marek Be­rá­nek. Prů­běž­ně jim s tím po­má­ha­la de­sít­ka stu­den­tů.

De­tek­tor čás­tic je klí­čo­vou sou­čás­tí urych­lo­va­če, na kte­rém se usku­teč­ní další kolo ex­pe­ri­men­tu ATLAS. Ne­vý­ho­dou to­ho­to de­tek­to­ru je, že je umís­těn hlu­bo­ko v zemi a jakmi­le se ex­pe­ri­ment roz­je­de, tak se k němu deset let nesmí. Navíc je slo­žen z při­bliž­ně mi­li­o­nu sou­čás­tek, které během ex­pe­ri­men­tu nelze vy­mě­nit nebo opra­vit, pro­to­že jsou vy­so­ce ra­di­o­ak­tiv­ní.

In­for­mač­ní sys­tém ITk Pro­ducti­on Da­ta­base slou­ží k evi­den­ci di­gi­tál­ních dvoj­čat sou­čás­tek, které tvoří vnitř­ní de­tek­tor ex­pe­ri­men­tu ATLAS. To zna­me­ná, že každý prvek, z něhož je de­tek­tor slo­žen, je podro­ben ně­ko­li­ka­ná­sob­né kon­t­ro­le a du­pli­ka­ci, což za­hr­nu­je dů­klad­né kon­t­ro­ly a tes­to­vá­ní od vý­ro­by po in­sta­la­ci. Di­gi­tál­ní dvoj­če pří­stro­je ob­sa­hu­je po­drob­ný se­znam všech sou­čás­tek, včet­ně nejmen­ších šroub­ků a čipů, a do­kon­ce i po­u­ži­té­ho le­pi­dla. Sys­tém také sle­du­je trasu, kte­rou jed­not­li­vé kom­po­nen­ty do CERN pu­to­va­ly, což je klí­čo­vé pro za­jiš­tě­ní bez­chyb­né­ho fun­go­vá­ní de­tek­to­ru po celou dobu de­se­ti­le­té­ho ex­pe­ri­men­tu. Všich­ni zú­čast­ně­ní od­bor­ní­ci se sho­du­jí, že přes­ná, strikt­ní a for­mál­ní evi­den­ce je správ­ná cesta.

Hle­dá­ní čás­tic temné hmoty

CERN je do­mo­vem nej­vět­ší­ho a nej­slo­ži­těj­ší­ho ex­pe­ri­men­tál­ní­ho za­ří­ze­ní na světě – Vel­ké­ho hadro­no­vé­ho urych­lo­va­če (LHC). Na­chá­zí se ne­da­le­ko švý­car­ské Že­ne­vy ve 100 metrů hlu­bo­kém tu­ne­lu, který má obvod 27 ki­lo­me­t­rů. V jeho útro­bách se usku­tečňují sráž­ky pro­to­nů, jež věd­cům umožňují po­zo­ro­vat, co se ve vesmí­ru ode­hrá­va­lo bez­pro­střed­ně po vel­kém třes­ku. V hlav­ním urych­lo­va­cím prs­ten­ci LHC jsou pro­to­ny urych­lo­vá­ny téměř na rych­lost svět­la. K udr­že­ní pro­to­nů na kru­ho­vé dráze a je­jich dal­ší­mu urych­lo­vá­ní slou­ží silná elek­tro­mag­ne­tic­ká pole, ge­ne­ro­va­ná supra­vo­di­vý­mi mag­ne­ty.

Urych­lo­vač čás­tic ob­sa­hu­je ně­ko­lik de­tek­to­rů, v nichž do­chá­zí ke sráž­kám pro­to­nů a vědci sle­du­jí, co se s čás­ti­ce­mi děje. Nej­vět­ším z de­tek­to­rů je právě ATLAS, který se může pochlu­bit im­po­zant­ní­mi roz­mě­ry: je vy­so­ký 25 metrů, dlou­hý 45 metrů a váží 7 tisíc tun. Během ex­pe­ri­men­tu v něm kaž­dou sekun­du pro­bí­há více než mi­li­ar­da in­ter­ak­cí čás­tic, což od­po­ví­dá rych­los­ti pře­no­su dat srov­na­tel­né s tím, jako by v jeden mo­ment všich­ni lidé na Zemi vedli 20 si­mul­tán­ních te­le­fon­ních ho­vo­rů.

Pouze jedna z mi­li­o­nu srá­žek v de­tek­to­ru je vy­hod­no­ce­na jako po­ten­ci­ál­ně za­jí­ma­vá a je ulo­že­na pro další stu­di­um. De­tek­tor sle­du­je a iden­ti­fi­ku­je čás­ti­ce, které jsou klí­čo­vé pro zkou­má­ní ši­ro­ké škály fy­zi­kál­ních jevů, včet­ně stu­dia Hi­g­g­so­va bo­so­nu, top kvar­ku, a pro hle­dá­ní dal­ších roz­mě­rů a čás­tic tvo­ří­cích tem­nou hmotu. ATLAS je na­vr­žen tak, aby do­ká­zal po­zo­ro­vat až 1,7 mi­li­ar­dy pro­ton-pro­to­no­vých srá­žek za sekun­du, při­čemž cel­ko­vý objem dat pře­sa­hu­je 60 mi­li­o­nů me­ga­baj­tů za sekun­du.

Roz­hod­nu­tí o ucho­vá­ní dat z udá­los­ti je uči­ně­no méně než 2,5 mi­k­ro­sekun­dy po jejím vzni­ku. Během této krát­ké doby jsou data o udá­los­ti do­čas­ně ulo­že­na ve vy­rov­ná­va­cí pa­mě­ti. Pokud je udá­lost vy­hod­no­ce­na jako re­le­vant­ní, pře­dá­vá se soft­wa­ro­vé­mu spouš­tě­či druhé úrov­ně, který může zpra­co­vat až 100 tisíc udá­los­tí za sekun­du. Tento spouš­těč pro­vá­dí během pou­hých 200 mi­k­ro­sekund velmi po­drob­nou ana­lý­zu každé za­zna­me­na­né ko­liz­ní udá­los­ti, zkou­má data z kon­krét­ních ob­las­tí de­tek­to­ru. Na­ko­nec vy­bí­rá při­bliž­ně tisíc udá­los­tí za sekun­du, které jsou pře­dá­ny do sys­té­mu pro uklá­dá­ní dat, kde pro­bí­há je­jich of­fli­ne ana­lý­za. A právě při ne­dáv­né re­kon­struk­ci vnitř­ní­ho de­tek­to­ru, která měla za cíl zvý­šit jeho vý­kon­nost a umož­nit věd­cům od­ha­lit další in­for­ma­ce, se na tomto pro­ce­su po­dí­lel také tým stu­den­tů z Uni­corn Uni­ver­si­ty.

Dokonalejší systém díky českým studentům

Díky no­vé­mu sys­té­mu ITk Pro­ducti­on Da­ta­base, vy­tvo­ře­né­mu v di­gi­tál­ní sta­veb­ni­ci Uni­corn Uni­ver­se a pro­vo­zo­va­né­mu na in­ter­ne­to­vé služ­bě Plus4U, mají vědci k dis­po­zi­ci de­tail­ní in­for­ma­ce o vy­ro­be­ných sou­část­kách. K dneš­ní­mu dni sys­tém ob­sa­hu­je zá­zna­my o téměř 800 ti­sí­cích sou­část­kách a 9 mi­li­o­nech pro­ve­de­ných tes­tech. V břez­nu 2024 bylo do sys­té­mu při­dá­no 4 GB dat, a z něj bylo sta­že­no více než 105 GB dat. Během roku 2023 bylo v apli­ka­ci spuš­tě­no přes 85 mi­li­o­nů ope­ra­cí a jen za první tři mě­sí­ce roku 2024 dal­ších 20 mi­li­o­nů. Tyto údaje ilu­stru­jí klí­čo­vou roli sys­té­mu v ope­ra­cích de­tek­to­ru. Sys­tém nyní vy­u­ží­vá více než 1,1 tisíc uži­va­te­lů z při­bliž­ně 140 in­sti­tu­cí po celém světě, což uka­zu­je na jeho zá­sad­ní vý­znam pro me­zi­ná­rod­ní fy­zi­kál­ní spo­le­čen­ství.

Navíc vzni­ka­jí de­sít­ky dal­ších soft­wa­ro­vých pro­duk­tů, které vy­ví­je­jí vě­dec­ké in­sti­tu­ce se za­mě­ře­ním pře­de­vším na ana­lý­zu dat ulo­že­ných v našem in­for­mač­ním sys­té­mu, ke kte­rým při­stu­pu­jí přes API (apli­kač­ní roz­hra­ní). Jedná se o různé ana­ly­tic­ké ná­stro­je v Py­tho­nu a dal­ších pro­gra­mo­va­cích ja­zy­cích, které umožňují věd­cům efek­tiv­ně ana­ly­zo­vat shro­máž­dě­ná data a ex­tra­ho­vat z nich cenné in­for­ma­ce pro další vý­zkum. A to by bez je­di­neč­né ar­chi­tek­tu­ry Uni­corn Uni­ver­se ne­by­lo možné.

Digitální stavebnice Unicorn Universe a architektura

Na soft­wa­ro­vé ar­chi­tek­tu­ře, která tvoří jádro di­gi­tál­ní sta­veb­ni­ce Uni­corn Uni­ver­se, pra­cu­je ma­ji­tel Uni­cor­nu Vla­di­mír Kovář již od roku 2014. Jeho hlav­ní mo­ti­va­cí vždy bylo vy­rá­bět soft­wa­ro­vá ře­še­ní to­vár­ním způ­so­bem, zkrát­ka to sekat jako Baťa cvič­ky. Je také vel­kým fa­nouš­kem sta­veb­ni­ce Lego, a když toto spo­jí­te s in­ter­ne­tem věcí, clou­do­vý­mi tech­no­lo­gi­e­mi a růz­ný­mi kon­co­vý­mi za­ří­ze­ní­mi jako jsou mo­bi­ly, no­te­boo­ky, chyt­ré te­le­vi­ze a table­ty, které po­u­ží­va­jí HTML5 a Ja­vaScript, zís­ká­te zá­kla­dy pro vy­tvo­ře­ní této sta­veb­ni­ce. Kromě ře­še­ní pro CERN, jeho týmy sys­te­ma­tic­ky vy­ví­jí i další pro­duk­ty, jako jsou vzdě­lá­va­cí on­li­ne kurzy Red Mon­ster, ze­le­né ener­ge­tic­ké cer­ti­fi­ká­ty nebo sys­témy Damas pro ob­chod s elektři­nou. Loni po­sta­vi­li v ar­chi­tek­tu­ře Uni­corn Uni­ver­se ta­ko­vých sys­té­mů 92.

Podpora inovací a vzdělávání

Za­po­je­ní stu­den­tů a vě­dec­kých in­sti­tu­cí do vý­vo­je ITk Pro­ducti­on Da­ta­base nejen pod­po­ru­je tech­nic­ký po­krok pro­jek­tu, ale také po­sky­tu­je cenné vzdě­lá­va­cí pří­le­ži­tos­ti pro bu­dou­cí ge­ne­ra­ce vědců. Na pro­jek­tu se po­dí­le­la zhru­ba de­sít­ka stu­den­tů z Uni­corn Uni­ver­si­ty. Ně­kte­ří z nich měli vývoj apli­ka­ce pro CERN jako téma ba­ka­lář­ské nebo di­plo­mo­vé práce, jiní vývoj za­hr­nu­li do své praxe. Spo­lu­prá­ci Uni­corn Uni­ver­si­ty s tak pres­tiž­ní in­sti­tu­cí, jakou je CERN, za­ští­ti­ly ve­řej­né in­sti­tu­ce, ČVUT, Aka­de­mie věd a Kar­lo­va uni­ver­zi­ta.

Uni­corn Uni­ver­si­ty je re­no­mo­va­ná sou­kro­má vy­so­ká škola, která na­bí­zí kva­lit­ní vy­so­ko­škol­ské vzdě­lá­ní v ob­las­ti in­for­mač­ních tech­no­lo­gií, byz­ny­su a da­to­vé ana­lý­zy. Sou­stře­dí se na sys­te­ma­tic­ké vzdě­lá­vá­ní od­bor­ní­ků v akre­di­to­va­ných ba­ka­lář­ských a magis­ter­ských pro­gra­mech s cílem ma­xi­ma­li­za­ce kon­ku­renč­ní vý­ho­dy pro je­jich bu­dou­cí uplat­ně­ní. Pro­myš­le­ný vzdě­lá­va­cí sys­tém řádně shr­nu­je a pře­dá­vá vy­vá­že­ný kom­plex zna­los­tí slo­že­ný ze stan­dar­dů dobré od­vět­vo­vé praxe, apli­ko­va­né vý­zkum­né čin­nos­ti, kor­po­rát­ní­ho pří­stu­pu a part­ner­ské spo­lu­prá­ce s obo­ro­vý­mi lídry.