Por qué el 99,9999% de las colisiones del LHC se pierden para siempre

La mayoría de las colisiones protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN se pierden para siempre, van directas a la basura. Tú ya lo sabes, son demasiadas y no se pueden almacenar todas en disco. Pero quizás convenga recordar que no se pierde el 75%, ni el 95%, ni el 99% de las colisiones. Durante 2011 se ha perdido más del 99,99% de las colisiones y con los incrementos de luminosidad instantánea del último mes se llegaron a perder hasta un 99,9999% de los datos. Una máquina de miles de millones de euros que estudia las colisiones protón contra protón más energéticas del planeta, pero en la que la mayor parte de dichas colisiones se pierden porque es imposible almacenarlas todas; tanto el ancho de banda de las redes de datos necesarias para transferir estos datos en disco como el espacio de disco necesario impiden almacenar todas las colisiones. En todos los experimentos del CERN se utilizan unos mecanismos automáticos de selección de las colisiones que serán almacenadas en disco (o cuáles serán descartadas y se perderán para siempre). Estos mecanismos se llaman «disparadores» (triggers) y sus parámetros han de ajustarse al tipo de colisiones que interese estudiar. Ahora mismo tanto ATLAS como CMS están centrados en la verificación del modelo estándar, la búsqueda del Higgs y ciertos tipos de búsqueda de la supersimetría (SUSY); en el LHCb están centrados en el estudio de la física de los mesones B (con quarks b o bottom), aunque se aceptan cierto número de colisiones con mesones encantados (con quarks c o charm). En los próximos años serán ajustados a otras búsquedas conforme vaya siendo necesario en función de lo que se vaya descubriendo. Nos lo ha recordado Matt Strassler en «Dumping Data Overboard: The Trigger at an LHC Experiment,» Of Particular Significance, Nov. 4, 2011, y en «The Trigger: Discarding All But the Gold,» Of Particular Significance, Nov. 4, 2011. En las Jornadas de CPAN en Barcelona estuve hablando con un joven doctorando, ya casi doctor pues había depositado la tesis, que trabajó en el ajuste de los triggers de LHCb y me comentó los porcentajes de ancho de banda que dedicaban a cada tipo de análisis (no recuerdo las cifras). La charla fue muy interesante. En su entrada, Matt Strassler describe de forma breve los sistemas de disparo de ATLAS y CMS, los dos grandes experimentos de propósito general del LHC.

El 99% de las colisiones protón-protón en el LHC no producen nada de interés, son «elásticas» (hay que recordar que un protón es una partícula compuesta de quarks que está «hueco» y puede atravesar otro protón casi sin notarlo). El 0,99% de las colisiones restantes son «inelásticas» pero producen unos cuantos hadrones y unos cuantos chorros de baja energía; todo bien conocido, sin ningún interés para un físico de hoy en día. Lo interesante se oculta en el 0,01% restante. Pero lo realmente interesante, la frontera de nuestro conocimiento, son procesos muy raros, extremadamente raros. Por ejemplo, las colisiones que producen un bosón de Higgs son rarísimas, menos de una en cada 100 mil millones, y quizás incluso más raras aún, menos de una en cada billón de colisiones (todavía no se ha descubierto al Higgs así que no lo sabemos con seguridad).

Las colisiones interesantes son muy raras y para poder observarlas hay que lograr producir muchísimas colisiones. Aquí no hay alternativa posible, si algo es tan raro que aparece una vez cada 10 billones de colisiones (10 veces menos que para el Higgs en el mejor caso), la única posibilidad de observarlo es produciendo unos 1000 billones de colisiones al año; he puesto unas 100 veces más para que haya una garantía razonable de que se observen unas decenas de eventos de lo que queremos observar.  Basta una simple división para saber que en este caso necesitamos unos 100 millones de colisiones por segundo. Si los físicos quisieran almacenar los datos de todas y cada una de estas colisiones se necesitaría una memoria en disco mayor que toda la disponible en el mundo entero. ¡Y no hablemos del presupuesto que tendría que tener el LHC!

La única opción práctica es distinguir y separar, en tiempo real, qué colisiones parecen interesantes y deben ser almacenadas en disco para su análisis posterior y cuales no lo son y deben ser descartadas de forma automática. Estas se perderán para siempre. Actualmente, tanto en ATLAS como en CMS se almacenan para su análisis posterior unas 500 colisiones por segundo. ¿Cómo saber qué colisiones almacenar y cuáles descartar? Hay que buscar ciertas «rarezas» en las colisiones que nos indiquen que merece la pena almacenarlas. Este proceso lo realizan los disparadores (triggers) que se ajustan en función de lo que se quiere buscar, es decir, en función de las «rarezas» que caracterizan y distinguen las colisiones que podrían contener lo que estamos buscando, solo esas colisiones serán almacenadas en disco.

Los triggers combinan cierto hardware fijo con cierto software programable que permite ajustar su funcionamiento a las búsquedas que interesen. Pero hay que recordar que los triggers funcionan de forma automática y que si no están programados a la perfección pueden, accidentalmente, descartar alguna colisión muy interesante. La programación de los triggers requiere un compromiso entre los falsos positivos seleccionados y los falsos negativos descartados para siempre. La programación de los triggers depende de los modelos de los físicos teóricos. Las colisiones simuladas por ordenador a partir de cierto modelo teórico permite determinar las «rarezas» que caracterizarán las colisiones de interés y permitirán ajustar los triggers para buscarlas. Si los modelos teóricos utilizados no son apropiados, el funcionamiento de los triggers será decepcionante.

¿Qué características de las colisiones se están buscando actualmente? En líneas generales se buscan colisiones con electrones (o positrones, su antipartícula), muones (o antimuones) y fotones de baja, media y alta energía; también se buscan colisiones con leptones tau (o antileptones), con chorros con quarks bottom (b) y con múltiples chorros de media y alta energía; y finalmente se buscan chorros de muy alta energía. También se buscan colisiones en las que parezca que falta energía (señal de la existencia de neutrinos y/o partículas supersimétricas). Una colisión protón-protón típica (que sea inelástica) produce dos o tres chorros de baja energía, o una pléyade de hadrones de baja energía; estas colisiones no interesan porque la física que las explica es bien conocida y ha sido estudiada con detalle en el pasado.  

El sistema de triggers de los grandes experimentos del LHC, tanto de ATLAS como de CMS y LHCb, es una pieza clave en el «engranaje» de esta máquina colosal. ¿Cuántas colisiones se almacenan en disco? Se estima que unos miles de millones de colisiones al año con unos 10 megabytes de datos por colisión, que en número de DVD de datos totalizan unos 100 000 DVD ¡al año! Todas estas colisiones son analizadas a posteriori mediante una red de computación distribuida (grid computing). La red Worldwide LHC Computing Grid integra miles de ordenadores distribuidos por todo el emundo que almacenan y analizan de forma automática los datos de todas las colisiones seleccionadas por los triggers. La infraestructura Grid desarrollada para esta tarea se extenderá más allá e las fronteras de la física de partículas y será también utilizada en aplicaciones biomédicas y geológicas, por ejemplo. La web nació en el CERN y la grid, en gran parte, también.