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Le plus grand défi de données jamais tenté?

La semaine dernière, la collaboration LHCb s'est réunie à Annecy pour planifier une deuxième mise à niveau de l'expérience. La première mise à niveau, qui est en cours de construction et qui prendra des données à partir de 2021, permettra de collecter 10 fois plus de données qu'aujourd'hui. Mais la deuxième mise à niveau, si construite, permettra à LHCb de collecter des données 100 fois plus rapidement qu'aujourd'hui. Si approuvé, à partir de 2030 LHCb   traitera environ 500 térabits par seconde, soit dix fois plus de données que n'importe quelle précédente expérience dans la domaine des hautes énergies   et plus grand que même le Square Kilometer Array!

     

Comme le montre l'image, à ce débit, l'expérience LHCb va "voir" des dizaines de millions de particules intéressantes par seconde,   par exemple ceux contenats des quarks "beauté", "charme" ou "étrange". En mesurant précisément leurs propriétés, LHCb va tester nos meilleures théories courantes de la nature microscopique, et peut-être trouver des nouvelles particules ou forces au-delà d'eux. Mais parce que LHCb verra tellement   signal, l'expérience devra analyser automatiquement les propriétés du signal en temps réel, avant d'enregistrer un instantané extrêmement réduit de ses résultats les plus intéressants   pour une inspection plus poussée par des physiciens.

   Signal rates in LHCb Upgrade 2

RECEPT chercheurs contribuent au traitement des données dans les deux mises à niveau LHCb,et la semaine dernière ont présenté leurs travaux en cours dans ces domaines. Lors de l'atelier Connecting the Dots 2018, Renato Quagliani a parlé de   la réoptimisation de la reconstruction de particules chargées pour la mise à niveau de LHCb, et une accélération récente d'un facteur 3 dans la première étape de cette reconstruction. Pendant ce temps  à la réunion d'Annecy pour la deuxième mise à jour, Vava Gligorov a parlé des défis de l'analyse du même débit   comme l'ensemble du trafic Internet d'aujourd'hui.

Les deux efforts seront cruciaux pour redessiner les algorithmes qui reconstruisent les trajectoires de particules dans l'expérience, et permettre aux physiciens   de mesurer les propriétés de ces particules. Bien que les algorithmes actuels aient été optimisés pendant de nombreuses années, ils sont fondamentalement séquentiels   dans la nature,et construisent une image de ce qui s'est passé dans l'expérience en trouvant une trajectoire après l'autre. Cela les rend inefficaces pour les architectures de calcul hautement parallèles d'aujourd'hui, qu'il s'agisse de processeurs multi-cœurs ou de cartes graphiques qui sont présents de plus en plus dans les   centres de traitement. En plus d'apprendre à nos algorithmes à trouver plusieurs trajectoires à la fois, nous devons également revoir la structure de nos données afin que   des signaux de détection issus de la même trajectoire de particules sont placés les uns près des autres dans la mémoire de l'ordinateur, ce qui accélère nos calculs. Bien que   nous avons fait les premiers pas vers cette refonte, ce travail ne fait que commencer et occupera les chercheurs de RECEPT et beaucoup de nos collègues de LHCb pour les années à venir!

-- V.V.G., 26 mars 2018

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The biggest data challenge ever attempted?

Last week, the LHCb collaboration met in Annecy to plan a second upgrade of the experiment. The first LHCb upgrade, which is being built right now and will take data from 2021, will collect 10 times today's data rate. But the second upgrade, if built, will allow LHCb to collect data 100 times faster than today. If approved, from 2030 LHCb would process around 500 Terabits each second, around ten times more data than any previous High Energy Physics experiment and bigger than even the Square Kilometre Array!

As the image shows, at this data rate the LHCb experiment will "see" tens of millions of interesting particles per second, for example those containing "beauty", "charm", or "strange" quarks. By precisely measuring their properties LHCb will test our best current theories of microscopic nature, and perhaps find new particles or forces which lie beyond them. But there is a catch -- because LHCb will see so much signal, the experiment will have to automatically analyse the signal properties in real time, before saving an enormously reduced snapshot of its most interesting findings for further inspection by physicists.

Signal rates in LHCb Upgrade 2

RECEPT researchers contribute to data processing in both LHCb upgrades, and last week presented their ongoing work in these areas. At the 2018 Connecting the Dots workshop, Renato Quagliani spoke about the reoptimization of charged particle reconstruction for the LHCb upgrade, and a recent speedup of a factor 3 in the first stage of this reconstruction. Meanwhile at the Annecy meeting for the second upgrade, Vava Gligorov spoke about the challenges of analyzing the same data rate as today's entire internet traffic.

Crucial to both efforts will be to redesign the algorithms which reconstruct particle trajectories in the experiment, and allow physicists to measure those particle's properties. Although the current algorithms have been optimized over many years, they are fundamentally sequential in nature, and build up an image of what happened in the experiment by finding one trajectory after another. This makes them inefficient at using today's highly parallel computing architectures, whether multi-core CPU processors or the graphics cards which increasingly power commercial processing centres. In addition to teaching our algorithms to find many trajectories at once, we must also redesign our data structures so that detector signals which come from the same particle trajectory are placed close to each other in the computer's memory, speeding up our calculations. Although we have made first steps towards this redesign, this work is only beginning and will occupy both RECEPT researchers and many of our LHCb colleagues for years to come!

-- V.V.G., 26 March 2018

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Najveća obdrada podataka u povjesti?

Prošle nedelje, istraživači LHCb eksperimenta su se sreli u Aneciju da bi planirali drugu fazu nadogradnje svog detektora. Prva nadogradnja, koja se trenutno gradi i koja će snimati podatke od 2021. godine, će već dozvoliti istraživačima da prikupe podatke 10 puta brže nego što je danas moguće. Ali u drugoj fazi, koju bi smo želeli graditi oko 2030. godine, LHCb bi snimao podatke oko 100 puta brže, ili 500 Terabita u sekundi. To je ne samo znatno brže nego bilo koji predjašnji eksperiment fizike čestica, veće je čak i od najvećih planiranih radio teleskopa kao napr. Square Kilometre Array.

Kao što figura pokazuje, kod tolike količine podataka LHCb će “videti” desetine miliona interesantnih čestica u sekundi, naprimer čestica koje sadrže “beauty”, “charm”, ili “strange” kvarkove. Preciznjim merenjem njihovih svojstava, LHCb će ispitati naše najbolje sadašnje teorije mikroskopske prirode, i možda otkriti nove čestice ili sile prirode. Ali ima caka : pošto će LHCb snimiti toliko signala, eksperiment će morati da sam automatski obradi taj signal i da izmeri njegova svojstva, a fizičarima će moći poslati na dalje razmatranje samo znatno suženu sliku najvažnijih izmerenih svojstava.

Signal rates in LHCb Upgrade 2

Istraživači projekta RECEPT doprinose obdradi podataka u obe faze nadogradjenja LHCb eksperimenta, i prošle nedelje su prikazali svoje najnovije rezultate. Na “Connecting the Dots” konferenciji, Renato Quagliani je govorio o novim algoritmima za pronalaženje putanja naelektrisanih čestica u LHCb-u, čija je optimizacija nedavno dovela do trostrukog ubrzanja u prvoj fazi obrade LHCb podataka. Sa druge strane okeana, Vava Gligorov je u Aneciju govorio u obradi podataka u drugoj fazi nadogradjenja LHCb-a, i o poteškoćama obradjivanja svog tog signala, koji će biti istih razmera kao sav tok podataka na internetu danas.

Od presudnog značaja za oba napora biće redizajniranje algoritama koji rekonstruišu putanje čestica u eksperimentu i dozvoljavaju fizičarima da mere njihove osobine. Iako su sadašnji algoritmi optimizovani tokom mnogo godina, oni su fundamentalno sekvencijalni   u prirodi i stvaraju sliku o onome što se dogodilo u eksperimentu pronalaženjem jedne putanje za drugom. Zbog toga neefikasno koriste današnje visoko paralelne računarske arhitekture, bilo da se radi o "multi-core" CPU procesorima ili grafičkim karticama koje sve više koriste u komercijalnim primenama. Mi moramo naučiti naše algoritme da istovremeno nađu mnoge putanje, ali moramo i redizajnirati naše strukture podataka tako da   signali koji dolaze sa iste putanje budu postavljeni blizu jedan drugom u memoriji računara, ubrzavajući naše račune. Iako smo   napravili prve korake ka ovom redizajniranju, ovaj rad tek počinje, kako za istraživače projekta RECEPT tako i za naše LHCb kolege!

-- V.V.G., 26 mart 2018

Arhiv vesti projekta RECEPT

Le projet RECEPT porte sur des études de précision mettant à l’épreuve le Modèle standard de la physique des particules avec l’expérience LHCb au Cern. Depuis sa formulation dans les années 70, le Modèle standard de la physique des particules s’est avéré une description particulièrement réussie et prédictive de notre monde aux échelles subatomiques. Il permet de décrire la matière qui nous entoure en deux familles de six quarks et six leptons ainsi que leurs interactions en quatre bosons. À cela s’ajoute le boson BEH (Brout-Englert-Higgs), récemment découvert au LHC. Néanmoins, le Modèle standard est en contradiction fondamentale avec des théories non moins solides qui décrivent l'Univers. Par exemple, quand nous observons étoiles et galaxies, nous pouvons estimer leur masse de deux manières : en mesurant la quantité et le type de lumière qu'ils émettent ou en comparant leurs mouvements aux équations de la relativité générale. Le désaccord flagrant entre ces deux méthodes a permis de conclure à l'existence de "matière noire" non prévue par le Modèle standard des particules. Pour cette raison et d'autres contradictions, les physicien.ne.s estiment que le Modèle standard est inachevé et qu'une théorie plus fondamentale est nécessaire.

Afin d'apercevoir des signes d’une théorie plus fondamentale au-delà du Modèle standard, il est crucial d'en examiner les prédictions avec une précision toujours plus élevée. Parmi elles, "l’universalité leptonique" prévoit que les électrons, muons et taus, tous membres de la famille des leptons, doivent se comporter de la même manière et être produits en égale quantité lors de désintégrations. Le projet RECEPT va utiliser les données de l'expérience LHCb, basée au Grand collisionneur de hadrons (LHC) au Cern, en collaboration avec 69 instituts dans 16 pays. Pendant la première phase du projet, les chercheur.e.s analyseront les désintégrations de particules contenant un quark beau (b). En outre, les scientifiques du projet RECEPT joueront un rôle essentiel dans l’amélioration du détecteur de LHCb prévue pour la phase 2 du LHC, appelée "LHC haute luminosité", qui multipliera par 100 le volume des données. Compte-tenu de la taille des données à analyser et surtout à stocker, les chercheur.e.s développeront dans un deuxième temps un système permettant une analyse en temps réel. Cela leur permettra alors d’étudier les désintégrations des particules contenant un quark étrange (s). Les deux phases du projet RECEPT fourniront les mesures les plus précises jamais réalisées de l'universalité leptonique, ouvrant ainsi une fenêtre sur la physique au-delà du Modèle standard.

Le projet RECEPT est financé par l'Union Europeene dans le cadre de programme H2020 de Conseil Europeen de Recherche (ERC), dans le cadre de "grant agreement" numero 724777.

The Standard Model of particle physics is a remarkably successful and economical description of nature at microscopic scales. Six quarks, six leptons, four force carriers and the Higgs boson are all that makes up the Standard Model, some of whose predictions have been verified to better than one part in a billion. Nevertheless, the Standard Model is in fundamental contradiction with equally successful theories of the macroscopic universe. For example, when we observe stars and galaxies, we can estimate their mass in two ways : by measuring the amount and type of light which they emit, and by comparing their motions to the equations of General Relativity. When we do so, we find a significant disagreement in the two methods, indicating the existence of other “dark” matter not predicted in the Standard Model. Because of this and other contradictions, physicists believe that the Standard Model is incomplete, and that a more fundamental theory is needed.

In order to glimpse the more fundamental theory beyond the Standard Model, it is crucial to test the Standard Model’s predictions with ever higher precision. One of the most precise predictions is called “lepton universality” : that the six leptons couple with equal strength to the force carriers (photon and the W/Z bosons) of the electroweak force. RECEPT will use the LHCb experiment, based at the Large Hadron Collider at CERN, to make the world’s most precise tests of lepton universality in collaboration with 69 institutes across 16 countries. In the first phase of RECEPT, data collected with the existing LHCb detector will be used to measure lepton universality in the decays of particles containing a “bottom” quark. In addition, RECEPT’s researchers will play a crucial role in the upgrade of the LHCb detector, which will increase the data volume 100 times. Because this volume of data cannot be saved to disk, RECEPT’s researchers will develop a system allowing it to be analyzed in real-time, allowing the second phase of RECEPT to measure lepton universality in the decays of particles containing a “strange” quark. Together, the two phases of RECEPT will deliver the most precise measurements of lepton universality anywhere, either opening a window to physics beyond the Standard Model or else tightly limiting its properties.

The RECEPT project is financed by the European Research Council (ERC) under the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No. 724777.

Standardni model fizike čestica je veoma uspešan i sažet opis prirode na mikroskopskim razmerama. Šest kvarkova, šest leptona, četiri nosioca sila i Higsov bozon opisuju u standardnom modelu ceo mikroskopski svet, a neka predvidjanja ovog modela su u opitima potrvdjena sa preciznošću od jednog milijarditog dela. Uprkos tome, standardni model u osnovi protivreči jednako uspešnim teorijama makroskopskog sveta. Na primer, kada posmatramo zvezde i sazveždja, možemo na dva načina utvrditi njihovu težinu: ili merenjem količine i boje svetlosti koju one zrače, ili uporedjivanjem njihovih putanja sa predvidjanjima teorije generalnog relativiteta. Medjutim, kada ta dva merenja težine uporedimo, ona se ne slažu! To nam ukazuje na protivrečnost standardnog modela i teorije generalnog relativiteta, iz čega fizičari najčešće zaključuju da standardni model nije kompletna teorija mikroskopskog sveta i da je treba dopuniti dodatnim česticama ili nosiocima dodatnih sila, na primer takozvanom “tamnom materijom”, koja bi trebalo da objasni opaženo pomeranje nebeskih tela.

Da bismo stekli uvid u tu opširniju odnosno fundamentalniju teoriju koja leži dalje od standardnog modela, važno je dalje ispitivati njegova predvidjanja. Jedno od najosnovnijih predvidjanja standardnog modela jeste takozvana “univerzalnost leptona”: da se šest leptona tog modela jednakom snagom vezuju za nosioce elektroslabe sile. Projekat RECEPT će koristiti detektor LHCb, koji je stvoren u saradnji 69 instituta nauka iz 16 zemalja sveta i čini jedan od četiri glavna eksperimenta vezana za takozvani “veliki sudarač hadrona” u CERN-u, sa ciljem da izvrši najpreciznija ispitivanja univerzalnosti leptona. U prvoj fazi projekta, podaci prikupljeni sa postojećim LHCb detektorom će biti iskorišćeni za ispitivanje univerzalnosti leptona u raspadu mezona koji u svome sastavu imaju takozvani “bottom” kvark. Istovremeno, RECEPT-ovi istraživači će razviti i unaprediti sistem obrade podataka LHCb eksperimenta, koji će nam omogućiti da obradimo 100 puta više podataka u sekundi i da, u drugoj fazi projekta, izmerimo i univerzalnosti leptona u raspadu mezona, koji u svome sastavu imaju takozvani “strange” kvark. Ove dve faze RECEPT-a će nam omogućiti da ostvarimo najpreciznija merenja univerzalnosti leptona na svetu, i da možda sagledamo prve nagoveštaje neke nove fizike na ivicama maglovitog pejzaža standardnog modela.

Projekat RECEPT finansira Evropska zajednica u okviru programa H2020 Evropskog naučnog veća (ERC), broj projekta 724777.

    Vladimir Vava Gligorov (PI) : I spent my student years being bothered by quantum nonlocality, but eventually discovered that not being able to do maths would prove less of a problem if I became an experimental physicist. Now I divide my time between thinking about the myriad contradictions in our theories of the microscopic and macroscopic universe, and building real-time analysis systems to help LHCb probe these contradictions to ever higher precisions. I am also involved in the International Masterclass programme and regularly work with students at the Petnica Science Centre, trying to make the next generation as excited about fundamental science as I am. Life is too short for most social media, but I do tweet @particleist --- not necessarily about science.

    Florian Reiss : I'm a PhD student from Germany. Before coming to Paris I studied in Heidelberg. During my Bachelor thesis I worked in the Mu3e group looking for decays violating lepton number conservation. For my Master thesis I joined the LHCb collaboration, where I contributed to the spectroscopy subgroup. After graduating in 2017 I became a member of the LHCb group at the LPNHE to work on tests of lepton universality.

    Da Yu Tou : Hi, I am a doctoral student from Malaysia who graduated with Master of Physics degree from University of Manchester in 2017. My current physics interest is in test of lepton non-universality, specifically in B->K*ll. Also, I am looking into using GPU computing and neural networks to improve the performance of event reconstruction software in LHCb. My list of publication and presentation is empty but I will have a few in 3 years. Stay tuned!

    Renato Quagliani : I am a postdoc researcher from Italy. I got a double PhD degree from Bristol University and Paris Sud University and during that time I spent most of my time surfing through the LHCb software, rewriting, debugging and optimising the track reconstruction for the LHCb upgrade as well as analysing data produced by the LHCb experiment. All experimental physicists aim at working on searches of New Physics and place the bricks to allow theorists and experimentalist to move the mankind's knowledge one step further. This is what RECEPT does and why I am happy to be part of it.

    Dorothea vom Bruch I first got interested in lepton universality during my Master's degree at UBC and TRIUMF in Vancouver, studying the decay ratio of pions to electrons and muons. Staying in the field of lepton physics, I continued with a PhD in Heidelberg and Mainz working on the Mu3e experiment, which is aimed to search for lepton flavour violation. I was mainly involved in developing and implementing an online signal selection process on GPUs to reduce the data rate of the experiment, and in characterizing a prototype of the high-voltage monolithic active pixel sensors envisaged for the spectrometer. Still being enthusiastic about lepton flavour, I am now part of the RECEPT project as a postdoc, working on track reconstruction on GPUs and studying lepton universality.

Recent papers, presentations, and proceedings

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Recent pedagogical resources

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