Лаборатория методов ядерно-физических экспериментов ЛФИ МФТИ

Как мы представляем себе ученого-экспериментатора? Мы думаем о лаборатории, тесно заставленной разными установками, и видим сражающегося с приборами ученого – именно такой образ нам рисует кино. И немногие из нас представляют себе исследователя за компьютером, выглядящего так, как будто он обычный офисный сотрудник. Но именно за компьютерами работают ученые, занимающиеся экспериментами в области ядерной физики.

Современная экспериментальная физика, особенно физика частиц, – это колоссальные объемы данных, измеряемые многими петабайтами, и огромная работа по подготовке математических моделей экспериментов. Для этого необходимы знания специальных программных продуктов и постоянное совершенствование программного обеспечения, методов работы с данными, создание и развитие библиотек и сред разработки для существующих и новых экспериментов.

«Все начинается со стадии проектирования эксперимента. Мы делаем большие объемы математического моделирования, чтобы понять, что вообще можно измерить и как это лучше сделать. В конце концов, мы не можем работать методом тыка. Современные эксперименты очень дороги, и делать их, не зная заранее, что там можно измерить, очень невыгодно. Дальше нам надо собрать данные, для этого используются разнообразные автоматизированные системы управления. Эти данные нужно хранить (а данных может быть очень много, петабайты). К данным нужно обеспечить удобный доступ, организовать резервное хранение, сервисы по индексации и визуализации. В конце концов данные нужно обработать. А тут уже нужно задействовать весь арсенал современных компьютерных методов работы с данными от параллельных и распределенных вычислений до машинного обучения», – рассказывает Александр Нозик, заместитель заведующего Лабораторией методов ядерно-физических экспериментов.

Лаборатория участвует в нескольких международных экспериментах.

• Эксперимент GERDA (GERmanium Detector Array), реализуемый в Национальной Лаборатории Гран Сассо в Италии, создан для поиска двойного безнейтринного бета-распада Ge-76. Измерения в эксперименте завершены, и сейчас идет стадия анализа данных.
• Мюонный монитор для подземных низкофоновых экспериментов, расположенный в Канфранке, Испания, регистрирует группы космических мюонов высоких энергий в условиях подземной лаборатории LSC (Laboratorio Subterráneo de Canfranc). Измерения в эксперименте также завершены. Сейчас на основе методик, разработанных для этого эксперимента, идет создание алгоритмов и аппаратуры для геологоразведки и экологического контроля.
• Установка «Троицк ню-масс» является одним из экспериментов мирового уровня в области физики элементарных частиц, его цель – поиск масс как активных, так и стерильных нейтрино.
• МФТИ является официальным членом международной коллаборации IAXO по поиску аксионов от солнца. Сейчас основной задачей Лаборатории является разработка системы сбора данных, а в будущем планируется участие в моделировании и анализе данных.

В Лаборатории занимаются и физикой атмосферного грозового разряда – до сих пор, несмотря на то, что природа молний изучена, зарождение их в атмосфере остается открытым вопросом физики. Еще один феномен – гамма-излучение грозовых облаков и связанные с ним гамма-вспышки земного происхождения (Terrestrial Gamma-ray Flashes, TGFs). Ученые многих стран занимаются изучением и построением модели этого явления.

Для работы в таких экспериментах и построения математических моделей необходимо развивать программное обеспечение, и Лаборатория плотно сотрудничает с разработчиками языка Kotlin, который широко используется в индустрии. За последний год Лаборатория опубликовала новые научные библиотеки на Kotlin: библиотека для построения графиков и библиотека для чтения, создания и манипуляции геометриями в формате GDML, а также внесла весомый вклад в подготовку нового релиза языка Kotlin, который вышел весной 2021 года.

Сегодня в Лаборатории разрабатывают масштабный фреймворк, одной из задач которого является визуализация событий (event display) в эксперименте BM@N (barionic matter ant Nuclotron) по поиску барионной материи на коллайдере NICA.

В своих научных изысканиях Лаборатория тесно сотрудничает с ИКИ РАН, ИЯИ РАН, ОИЯИ, исследовательским центром DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), а в области информационных технологий для экспериментов работает совместно с компанией JetBrains и входит в научное объединение JetBrains Research.

При поддержке партнеров (JetBrains и Таврида Электрик) в 2021 году на базе Лаборатории открылась новая магистерская программа «Разработка и применение программного обеспечения в физических исследованиях». Программа подготовлена при участии двух Физтех-школ: ЛФИ и ФПМИ. Магистранты-физики будут осваивать вычислительные методы и анализ данных, а для магистрантов-математиков важными станут научные семинары, погружающие в область исследований. Подготовка специалистов, сочетающих понимание физики и знание компьютерных методов, нацелена на объединение компетенций физиков и программистов. Именно такие специалисты будут разрабатывать лучшие компьютерные решения для науки и применять их в разработке моделей и проведении экспериментов.

«Мы никогда не планировали масштабную магистерскую программу, но мы наблюдаем большой интерес со стороны студентов, и даже в большей степени со стороны потенциальных научных руководителей – научных организаций и компаний. Возможность заниматься действительно интересными задачами, решать уникальные проблемы, работать с ведущими учеными и одновременно получить квалификацию, которая обеспечит безбедное существование – все это редко удается собрать в одном месте. В будущем спрос на физиков-программистов, биологов-программистов, а может быть, и психологов-программистов, преподавателей-программистов будет только расти. Такие специалисты точно не останутся без дела», – уверен Александр Нозик, возглавляющий команду программы.

На обложке: Художественное видение реакторной модели возникновения наземных гамма-всплесков. Автор: Екатерина Свечникова

Сайт Лаборатории: http://npm.mipt.ru/ru/

Телеграм-канал: https://t.me/mipt_npm