na przykładzie projektów: Obrona Pracy Doktorskiej Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Kraków,

Transkrypt

1 Symulacje komputerowe w Fizyce Wysokich Energii na przykładzie projektów: TAUOLA, PHOTOS, MC-TESTER i at2sim Obrona Pracy Doktorskiej mgr inż. Piotr Golonka Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Kraków, 16 października 2006

2 Teoria, Doświadczenie i Symulacje w Fizyce Teoria (?) = Symulacja Doświadczenie

3 doświadczenie=teoria Generator(y) przypadków Filtr przypadków Symulacja detektora Dane Rekonstrukcja Analiza

4 Zastosowania symulacji w Fizyce Wysokich Energii Analiza i interpretacja danych Sposób wyrażenia modeli teoretycznych Projektowanie nowych doświadczeń Próbkowanie potencjału odkrywczego na podstawie przewidywań modeli teoretycznych Poznanie właściwości detektora przed budową Weryfikacja projektów przed realizacją Diagnostyka detektora

5 Tematyka pracy: I. at2sim: symulacja systemu akwizycji danych dla eksperymentu ATLAS II. Generatory Monte Carlo przypadków III. Precyzyjny PHOTOS osiągnięcia autora: wyodrębnione kolorem

6 Część I: at2sim: symulacja systemu akwizycji danych dla eksperymentu ATLAS

7 IEEE Trans.Nucl.Sci.51 (2004) ; ATLAS T/DAQ TDR at2sim i ATLAS T/DAQ (stypendium CERN Doctoral Student: ) Badania wydajności transmisji sieciowej w systemie operacyjnym Linux Testy i optymalizacja ATLAS Dataflow Software at2sim: symulacja systemu zbierania danych i filtrowania wyższego poziomu dla detektora ATLAS (HLT, Dataflow) Pełna ścieżka symulacji: Doświadczenia, obserwacje w laboratorium Model koncepcyjny, symulacja komputerowa Pomiary kalibracyjne i walidacja Ostateczne wyniki przewidywań

8 Architektura systemu ATLAS/HLT ~1600 ROL 150 ROS PC lub 60 ROB PC+60 switchy ~250 portów ~90 SFI ~500 L2PU PC ~1700 portów ~650 portów

9 Future Generation Comp. Syst, 21(2004), Pomiary laboratoryjne Studia wydajności transmisji sieciowej w systemie operacyjnym Linux Analizy mechanizmów systemowych Własne oprogramowanie testowe i metodologia Testy protokołów sieciowej transmisji danych i sterowników kart sieciowych Propozycje ulepszeń oprogramowania ATLAS DataFlow Transatlantyckie testy transmisji danych Technologia 10GE WAN PHY Wyrównanie Internet2 World Speed record

10 Wyniki pomiarów [ATLAS TDAQ TDR, noty wewnętrzne ATLAS]

11 at2sim: technologie Symulacja w domenie zdarzeń dyskretnych Oparta o pakiet Ptolemy II Classic Wykorzystuje model switcha Ethernetowego (K.Korcyl) modularność Model ogólny wieloprocesorowego komputera PC z systemem Linux i komunikacją sieciową, Modele szczegółowe aplikacji DataFlow Ułatwienie parametryzacji; model ogólny wystarcza w pierwszym podejściu Modele emulatorów sprzętowych

12 at2sim: kalibracja modelu ogólnego Porównanie wyników symulacji at2sim i pomiarów w laboratorium: średni czas potrzebny na odebranie pojedynczego pakietu z sieci, w funkcji czasu pomiędzy pakietami (częstości nadchodzących pakietów) w teście z ciągłym strumieniem danych ( streaming )

13 at2sim: walidacja Porównania z układami testowymi w laboratorium (wyniki we współpracy z K.Korcylem, Sz.Gadomskim, A. Kaczmarską)

14 Część II: Generatory Monte Carlo przypadków - MC-TESTER - TAUOLA i Uniwersalny Interfejs - PHOTOS - TAUOLA-PHOTOS-F

15 Rekord zdarzeń i MC-TESTER

16 Generatory przypadków i rekord zdarzenia Podział na modele cząstkowe Niezależne opisy teoretyczne Symulacje Monte Carlo Proces twardy Parton Shower Hadronizacja Uruchamiane sekwencyjnie Rekord Zdarzenia /HEPEVT/ Łączy je rekord zdarzenia Rozpady cząstek i rezonansów Inne... łańcuchowo symulują kolejne elementy zdarzenia Struktura danych (np. HEPEVT) Symulacja detektora Drzewiasty graf Lista cząstek (obiektów) i ich własności (4-pędy) Źródło danych wejściowych Miejsce składowania wyników

17 Rekord zdarzeń Problemy z formatem /HEPEVT/ Różnorodność środowiska i potrzeb fizyki! Przeciążenie znaczeniowe elementów struktury danych Technicznie skomplikowany temat Argumenty do dyskusji nad przyszłym standardem Opracowanie biblioteki HEPEventLib: Sposób na rozwiązanie problemu przeciążenia Skuteczny w moich projektach

18 Comput. Phys. Commun. 157(2004) MC-TESTER Uniwersalne, zautomatyzowane narzędzie do testów poprawności symulacji Porównania dystrybucji mas inwariantnych produktów rozpadu, symulowanych przez badane programy Ułatwia wstępną analizę i klasyfikację rozbieżności Łatwo integrowalny do dużych łańcuchów symulacyjnych Narzędzie diagnostyczne: testy struktury rekordu zdarzenia i modułów Monte Carlo ATLAS, BaBar, Linear Collider Workshop, TAUOLA, PHOTOS,...

19 Comput. Phys. Commun. 157(2004) MC-TESTER Etap generacji Etap analizy Biblioteki MC-TESTER (C++) (np. F90) - kanały rozpadu - histogramy mas -lista kanałów rozpadu -stosunki rozgałęzień Analiza histogramów Biblioteki MC-TESTER (C++) (np. C++)

20 Comput. Phys. Commun. 157(2004) MC-TESTER: format wyników

21 Comput. Phys. Commun. 157(2004) MC-TESTER: format wyników

22 TAUOLA, uniwersalny interfejs i TAUOLA-PHOTOS-F

23 Comput. Phys. Commun. 174(2006), pp Uniwersalny Interfejs dla programu TAUOLA Generator TAUOLA Symulacja rozpadów τ Pełny opis korelacji spinowych, zgodny z mechaniką kwantową Nie byłby możliwy przy sekwencyjnym generowaniu przypadków (HEPEVT) Inna metoda komunikacji z generatorem produkcji τ Opracowanie strony technicznej uniwersalnego interfejsu do rekordu zdarzeń w standardzie HEPEVT przybliżone traktowanie spinu praca doktorska M.Worek

24 Comput. Phys. Commun. 174(2006), pp TAUOLA-PHOTOS-F Kody generatorów bogate w treści fizyczne Form-faktory, dopasowania do danych Niemożliwe do przedstawienia w inny (nie-mc) sposób Własne wersje kodów utrzymywane przez grupy badawcze dają możliwość porównań nowych danych z już przeanalizowanymi Pakiet konserwujący kody źródłowe różnych wersji TAUOLI i PHOTOSA Pozwalają wygenerować dowolną wersję Punkt wyjściowy dla nowych rozszerzeń Punkty odniesienia dla nowych implementacji (w C++?)

25 PHOTOS

26 Poprawki promieniste QED i PHOTOS Wirtualne i rzeczywiste (miękkie) fotony Inkluzywnie: zaniedbywalne efekty (0.2%) Znaczenie w precyzyjnych pomiarach gdzie analizowane są dystrybucje, np. fizyka B PHOTOS: Moduł dodający poprawki radiacyjne (fotony) do rekordu zdarzenia

27 Wkład w rozwój PHOTOSA Poprawa stabilności Nowe zakresy zastosowań (energie LHC, astrofizyka) Testy wersji wielofotonowych Testy uniwersalnej wagi interferencyjnej Testy precyzji algorytmu

28 Część III: Precyzyjny PHOTOS

29 Eur.Phys.J. C45 (2006) Precyzyjny PHOTOS Strategia Wykorzystanie MC-TESTERA jako narzędzia badawczego Konieczne rozszerzenie: bezpieczeństwo w podczerwieni Walidacja PHOTOSA jako narzędzia o wysokiej precyzji: porównania z precyzyjnymi generatorami w rozpadach Z, W, τ,

30 Eur.Phys.J. C45 (2006) PHOTOS: e e Z /γ µ µ (γ) bez NLO, O(1) [2005] Porównanie PHOTOS i KORALZ O(α):

31 hep-ph/ , submitted to EPJC PHOTOS: e e Z /γ µ µ (γ) z NLO O(1) [2006] Porównanie PHOTOS NLO i KORALZ O(α)

32 Eur.Phys.J. C45 (2006) PHOTOS: e e Z /γ µ µ (γ) bez NLO, EXP [2005] Porównanie PHOTOS EXP i KKMC O(α2), EXP

33 hep-ph/ , submitted to EPJC PHOTOS: e e Z /γ µ µ (γ) z NLO, EXP [2006] Porównanie PHOTOS NLO, EXP i KKMC O(α2) EXP

34 Eur.Phys.J. C45 (2006) PHOTOS: τ µντνµ(γ), W µνµ(γ) Podobna precyzja i testy dla τ, W, fizyki B...

35 Podsumowanie At2sim: potwierdzenie poprawności architektury ATLAS DataFlow Opracowane narzędzia mają szereg zastosowań praktycznych MC-TESTER, TAUOLA Universal Interface, PHOTOS w fizyce B Doświadczenia zgromadzone na wszystkich etapach rozwoju symulacji umożliwiły wypracowanie całościowego spojrzenia na problematykę uświadomiły istotność walidacji i podziału na moduły pozwoliły opracować własne strategie, które mam nadzieję wykorzystywać w dalszej pracy.

36 Podziękowania Zbigniew Wąs Piotr Malecki Krzysztof Korcyl Elżbieta Richter-Wąs Robert W. Dobinson ( ) CERN, EP/ATR moim bliskim......

37 Dziękuję za uwagę

38

39 Odpowiedzi na uwagi Recenzentów Prawdopodobieństwo większe od 1 Skończony rząd rachunku zaburzeń: Parametr p wyliczany z teorii pola Gdy p<1, można go interpretować jako prawdopodobieństwo pojedynczym kroku generacji Konstrukcja PHOTOSA ograniczonego rzędu (iteracja): Kombinacja liniowa (suma) rozkładów dwumianowych, postaci N k N k P n X =k = p q ; q=1 p ; 0 p 1 k Gdy p>1 rozwiązanie się załamuje, p nie może być interpretowane jako prawdopodobieństwo

40 Odpowiedzi na uwagi Recenzentów Prawdopodobieństwo większe od 1 Po wysumowaniu rozkładu do nieskończonego rzędu: Parametr p staje się parametrem λ w rozkładzie Poissona 0<λ<, nie ma interpretacji prawdopodobieństwa

41 Odpowiedzi na uwagi Recenzentów Uwiarygodnienie poprawności programu przez porównanie jego wyników z innymi programami o tych samych założeniach fizycznych Porównania testują techniczną poprawność rozwiązań: Rozbieżności w wynikach mogą istnieć jedynie wskutek błędów W mojej pracy dokonywałem jedynie takich porównań Porównania programów opartych o różne, rozsądne założenia fizyczne Różnice wyników są często używane dla oszacowania błędu teoretycznego

42 Odpowiedzi na uwagi Recenzentów teoria=eksperyment Użyte jako przenośnia procesu konfrontacji fizyki doświadczalej i teoretycznej Charakterystyczna cecha metodologii fizyki Efekty poprawek radiacyjnych Są często zaniedbywalne dla wielkości inkluzywnych, w stanach końcownych W pewnych zakresach kinematycznych i zastosowaniach ich wpływ może być jednak znaczący

43 BACKUP...

44 Modelowanie...

45 Symulacje komputerowe... Stanisław Ulam, metody Monte Carlo, projekt Manhattan (1946)

46 at2sim: przykładowe wyniki symulacji (Wyniki we współpracy z K.Korcylem)

47 Walidacja walidacja psych. proces ustalania stopnia odpowiedniości, trafności, celowości testu a. ważności, dokładności narzędzia pomiarowego. etym. - śrdw.łac. validatus p.p. od validare 'zatwierdzać' z validus 'skuteczny, ważny' łac. 'silny' od valēre, zob. walor; por. inwalida; konwalidacja. [źródło: Słownik wyrazów obcych i zwrotów obcojęzycznych Władysława Kopalińskiego] Kluczowy element metodologii naukowej Konfrontacja przewidywań modelu z rzeczywistością, teorii z doświadczeniem

48 NLO?

49 Uniwersalna waga interferencyjna PHOTOSa T. C. Andre, hep-ph/ , PHOTOS 2.0 vs KLOR PHOTOS with and without the new interference weight

50 PHOTOS i fizyka B Measurements of Semileptonic B Decays Phillip Urquijo (Melbourne/Belle), Radiative Corrections in B, D and K Meson Decays, UCSD, March 14, 2005

51 HEPEventLib