Objetivo:

ALICE es uno de los proyectos "estrella" del Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN).

Situado en la falda de las montañas del Jura, a una profundidad de 100 metros bajo el nivel del suelo, se ha construido el mayor acelerador lineal de partículas del mundo: el gran colisionador de hadrones (LHC). Es un túnel de unos 26 kilómetros de contorno y en el que a temperaturas cercanas al cero absoluto Kelvin (-273 ºC), donde dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz, alcanzando energías enormes, del orden de los teraelectronvoltios (TeV). Dentro del túnel, en puntos estratégicos, se sitúan complejos sistemas de detectores que pretenden dar respuesta a distintas cuestiones sobre el origen de la materia y del Universo.

En concreto, los principales "detectores" situados en el LHC, son:

• LHCb (Large Hadron Collider beauty): centrado en la detección de partículas que contienen "b" y "anti-b" quarks, conocidos colectivamente como "mesones B". El detector, de 4500 toneladas, está específicamente diseñado para filtrar estas partículas.
• CMS (Compat Muon Solenoid): El detector, de 14400 toneladas, pretende detectar principalmente la existencia de muones tras las colisiones entre protones. Los muones son partículas cargadas, cono electrones y positrones, pero unas 200 veces más pesados.
• ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) : Busca nuevos descubrimientos en las colisiones de protones con altos niveles de energía relacionados con las fuerzas básicas que han modelado el universo desde su inicio que predestinarán su futuro. Pretende responder a cuestiones como el origen de la masa, la existencia de dimensiones extra del espacio, la unificación de las fuerzas fundamentales, etc.
• ALICE (A Large Ion Collider Experiment): Es el experimento encuadrado en física de Altas Energías con el que colaboran tanto CIEMAT como CETA-CIEMAT, en el aspecto de soporte de equipos informáticos de alta computación y almacenamiento.

ALICE es un conjunto de detectores situados en el túnel del LHC cuya principal misión es el estudio de la física de iones pesados en densidades de energía extrema, donde se espera la formación de una nueva fase de la materia: el plasma gluón-quark, cuya existencia es fundamental para el entendimiento del confinamiento magnético y la simetría quiral.

Para este propósito se lleva a cabo un estudio comprensivo de hadrones, electrones, muones y protones producidos por el choque de núcleos pesados. Alice también estudia las colisiones protón-protón en comparación con las energías producidas por los choques Pb-Pb (plomo-plomo).

Las partes fundamentales del detector ALICE, cuya construcción (como la de todos los detectores del CERN) ha sido un desafío para ingenieros de todas las disciplinas, son las siguientes:

• TPC (Time Projection Chamber), sistema principal de rastreo de partículas.
• PMD (Photon Multiplicity Detector), detector que estudia la multiplicidad de fotones.
• El espectrómetro de muones (The Dimuon Spectrometer), el cual genera el espectro completo de las resonancias de los quarks pesados a través de sus decaimientos en mesones vectoriales.
• lTS (Inner Tracking System), sistema que reconstruye los vértices secundarios. Identifica y rastrea las partículas de bajo momento transversal.
• ZDC (Zero Degree Calorimeter), calorímetro situado en la base del haz de protones.
• HOS (Photon Spectrometer), calorímetro electro-magnético de gran resolución
• HMPID (High-Momentum Particle Identification Detector), detector de partículas con momentos transversales altos.

En definitiva, todos estos sistemas tratan de recomponer el gran puzle de saber qué ha sucedido en el interior del detector complejo (formado por las múltiples partes que hemos descrito) cuando millones de partículas han colisionado, a partir de las medidas de magnitudes físicas.

Este empeño necesita de un esfuerzo computacional que podemos imaginar enorme, fuera de las posibilidades de cualquier institución mundial si no se emplean alternativas de compartición de recursos. En efecto, para muestrear los detectores a una frecuencia de 100Hz, se recogen del orden de 100 MegaBytes/s en colisiones protón-protón y unos 1250 MegaBytes/s en colisiones plomo-plomo (Pb-Pb). Se espera encontrar del orden de 10 elevado a 9 de los primeros eventos, y unos 10 elevado a 8 de los segundos, estimando un tiempo efectivo de funcionamiento de 10 millones de segundos para el primer caso, y una décima parte en el segundo.

Si nos quedamos simplemente en el dato de 1,22 GigaBytes/s (aproximadamente igual a 1250 MegaBytes/s) de datos "en crudo" que pueden generar de media los detectores, simplemente en cuanto a necesidades de almacenamiento, ya se estarían generando 105468 Gigabytes diarios, y unos 36 Petabytes de almacenamiento al año.

Afortunadamente, con sistemas de compresión se consigue dejar las cifras de colisiones p-p en 3Mb/segundo, y las de Pb-Pb en 55 Mb/s, lo cual reperesenta un 4% de la cifra inicial "grosso modo". Aun así, Alice tendría unas necesidades en cuanto a espacio en disco de unos 1,5 Petabytes anuales.

Otro razonamiento distinto es el que se sigue para inferir la necesidad de recursos de cómputo. En este caso hay que diferenciar que fundamentalmente se necesitan recursos para tres tareas:

• En el "corazón" del experimento, el CERN, para poder diferenciar en un primer nivel los eventos válidos, descartar los no válidos y proceder a la compresión de los datos y la distribución del trabajo.
• En otro tipo de centros colaboradores, los Tier-1, para el análisis de los datos registrados y así tratar de buscar los tipos de interacciones entre partículas que se pretende encontrar.
• En otro tipo de centros de segundo escalón, los Tier-2, para realizar simulaciones con los datos reconstruidos que permitan inferir que el proceso es científicamente válido.

En total, se estima que para ello se necesitarían del orden de 35 MSI2K por año (35 millones de unidades SPECInt2000, 2k se refiere al año de publicación de los tests), o lo que es lo mismo, 95890 SpecInt2000 diarios.

El SpecInt2000 es una unidad de rendimiento de procesador; un procesador considerado "normal" en estos días, estaría en el orden de 30 SPECInt2000; si dividimos la cifra de 95890 SpecInts diarios mantenidos, estaremos hablando probablemente de entre 2000 y 3000 equipos de estas características funcionando todo el año.

El LHC en general, y ALICE en particular, también han contribuido de forma fundamental al desarrollo de estrategias computacionales de compartición de recursos: esto es, al desarrollo, uso y popularización de lo que denominamos "la Grid". Sin embargo, el concepto "grid" es lo suficientemente amplio y heterogéneo para no poder circunscribirlo a un determinado hardware y software.
ALICE, en este sentido, ha tenido un enfoque práctico, desarrollando su propio software capaz de distribuir la carga computacional y de almacenamiento sobre estructuras grid existentes: ARC, gLite, Panda o incluso desarrollando facilidades de análisis en cluster (PROOF).

A la grid definida por ALICE sobre otros sistemas grid, se le denomina Alien2.

No cabe menoscabar tampoco el grandísimo esfuerzo para desarrollar el software "de base" propio del experimento, con el que los científicos de todo el mundo pueden realizar simulaciones de todo tipo, o bien analizar los datos que se están extrayendo de forma continua del detector. El complejo "framework" software de ALICE se denomina AliROOT, y son una serie de clases (en programación orientada a objetos) particulares del experimento desarrolladas sobre otra serie de clases de amplio uso en el mundo científico (ROOT) más otra serie de facilidades igualmente estándar de facto en física de altas energías , que son PYTHIA y GEANT.

Finalmente, el esfuerzo del CETA-Ciemat que se emplea en ALICE es, el siguiente:

• En cuanto a almacenamiento, se aportan un total de 31 TB brutos, que suponen el 4% del total de 1,6 PB anuales que necesita ALICE (de un total de 37.64 PB en 2013)
• En cuanto a computación, se aportan 5 nodos que hacen 120 cores y 32 GB de RAM por nodo, que suponen unos 507176 SpecInts (SI2000) ó 13.25 HEP-SPEC06, en torno al 1% de lo que necesita ALICE anualmente.
• Desde sus inicios hasta 2013, se han ejecutado en el CETA-Ciemat más de 1.209 millones de trabajos.

En este mapa se muestran en tiempo real el estado y utilización de los recursos de cálculo y almacenamiento que aporta cada uno de los participantes del proyecto.

Proyectos relacionados:

• ATLAS - A Toroidal LHC ApparatuS
• CTA - Cherenkov Telescope Array
• AUGER. Búsqueda del origen de partículas de rayos cósmicos