Z roztřískaných protonů vystrčily růžky bosony – jaké byly International Masterclasses 2017 na SU?

TEXT: Tým IMC2017, Ústav fyziky

OPAVA - Srazí-li se dvě auta, je to vždycky nemilé. Narazí-li však do sebe dva protony v CERNu, je to událost, nad kterou s radostí zaplesá srdce fyziků po celém světě. A právě hlubší zkoumání takovýchto událostí přilákalo na půdu Slezské univerzity v pátek 17. března bezmála tři desítky vybraných studentů vyšších ročníků z pěti okolních středních škol – nejen fyzikálních talentů, ale i dalších zájemců, kteří se rozhodli strávit den postupným pronikáním do metod experimentálního výzkumu nitra hmoty. Až na samou mez, která je dnes lidstvu přístupna. Již druhým rokem se totiž Ústav fyziky Filozoficko-přírodovědecké fakulty v Opavě aktivně zapojil do pořádání mezinárodní akce International Masterclasses – Hands on Particle Physics, jež si klade za cíl odkrýt mystéria částicové fyziky středoškolským studentům pomocí analýzy reálných dat z experimentů na Velkém srážeči hadronů – stručně označovaném LHC.

Stali jsme se tak jednou ze tří institucí, které se v České republice tuto akci rozhodli zorganizovat. Pozvání k nám přijala jak obě místní, opavská, gymnázia, tak i gymnázia z Krnova, Bruntálu a Bílovce. Nejhojnější účast mělo poslední z jmenovaných. Bylo to jistě i projevem faktu, že jejich vyučující fyziky, Mgr. Pavel Novák, absolvent našeho SŠ učitelského oboru fyzika, se této akce účastnil loni, ještě coby student, spoluorganizátor. A jak se od té doby role proměnily…  dnes již vede své svěřence samostatně, a zdá se, že nanejvýš úspěšně. I on však, alespoň na tento den, přenechal výukově náročnou problematiku jiným – profesionálním fyzikům, kteří se ujali dvou dopoledních přednášek.

Celou fotoreportáž z International Masterclasses najdete zde

Organizace dopoledního bloku
V první z přednášek, dr. Mikuláš Gintner, který byl za tímto účelem pozván ze slovenské univerzity v Žiline, hovořil o podivnostech mikrosvěta. Ten je našemu běžnému dennímu vidění přírody natolik vzdálen, že k jeho plnému pochopení jsme dosud nedospěli. Veškeré naše představy jsou založeny na matematických úvahách a modelech, se kterými studenti zápasí po čas celého vysokoškolského studia. Právě odlehčená populární forma, kterou dovedně účastníky seznamoval s vybranými jinakostmi, odkryla plně jeho pedagogické mistrovství. Ve studentech vzbudil řadu následně diskutovaných otázek. Na výklad plynule navázal dr. Josef Juráň, ze zdejšího Ústavu fyziky, se svým pohledem na to, jak zkoumáme mikrosvět. Přednáška jasně spěla k jedinému cíli. Obeznámit studenty s detektorem experimentu ATLAS, sloužícímu k záznamu událostí odehrávajících se těsně po srážkách protonových párů na urychlovači LHC. Alespoň v takové nezbytné míře, která by postačila k nárysu fyzikálního pozadí nutného k pochopení odpoledních praktických cvičení. Právě jimi, se letošní ročník IMC2017 lišil od toho loňského, kdy se analyzovala data z detektoru CMS (na LHC je částicových detektorů hned několik). ATLAS je monstrózní zařízení válcového tvaru dlouhé asi 46 m s průměrem 25 m, na jehož sestavení padlo asi 7000 tun materiálu a 3000 km kabelů. Byť svým názvem přímo neodkazuje na Titána nesoucího nebeskou klenbu, poskytuje však tak velké množství dat, že se mezi titány řadí. I po očištění o nezajímavé události to obnáší zhruba desítku petabytů informací za rok. I jen jejich bezpečné uložení a zpracování představují náročný problém.  Oproti loňsku byla rovněž, namísto třetí přednášky, zařazena panelová diskuse, v níž se řešily dotazy vzešlé z auditoria. Zapojili se jak oba přednášející, tak i studenti Ústavu fyziky, kteří zároveň stručně představili chystaný poznávací zájezd na pracoviště CERNu. Několik míst zůstává ještě neobsazeno (bližší informace obdrží zájemci na Ústavu fyziky). Tento nový koncept přinesl oproti loňsku pozorovatelně vyšší povzbuzení do pracovní, odpolední části.

Zatímco pro účastníky následovala obědová pauza, organizátoři si čas oddechnout neměli. Řešili závadu v projekční technice přednáškové místnosti BR-B1, která se počala projevovat během dopoledne. Přizvaní pracovníci Centra výpočetní techniky závadu zdánlivě vyřešili, neúnosné selhání projekce však nastalo opětovně během videokonference. Ale o tom později.

Praktická cvičení analýzy dat z detektoru ATLAS
Odpolední, poobědová, část dne byla věnována praktickému cvičeni, zpracování vybraných dat užitím softwaru HYPATIA. Zákoutími jeho možností studenty provedla Mgr. Kateřina Goluchová. Program umožňuje vizualizovat naměřená data z jednotlivých srážek. Na nich jsme především sledovali částice, které se dále rozpadají na další, nově zrozené, jejichž průchod skrze jednotlivé vrstvy detektoru ATLAS se zaznamenává. Ze zakřivení jejich drah lze rozpoznat znaménka elektrických nábojů. Ta sama dávají lecco tušit. Ne všechny částice však umí detektor zaznamenat. Je proto nutné sledovat tzv. příčnou hybnost, která rovněž mnohé napoví. Právě to HYPATHIA umí. Zároveň umožňuje výpočet tzv. invariantních hmotností, které jsou klíčové pro stanovení hmotnosti rozpadávající se částice.  Sledujeme-li rozpadové produkty typické pro určité mateřské částice, jsme schopni určit vlastnosti (hmotnost) daných mateřských částic, aniž bychom je přímo měřili! Hledány byly zvláště stopy po rozpadu bosonu Z a po Higgsově bosonu. Tím se studenti zabývali po téměř 2 hodiny. Analýza výsledků experimentálních měření se opírá o sofistikované statistické metody, které lze bezpečně aplikovat pouze při vyhodnocování velkého souboru dat, tedy dat z mnoha srážek. Každá dvojice účastníků proto vyhodnocovala samostatně své vzorky dat. Výsledky byly následně sjednoceny a za celou skupinu odeslány na pracoviště v CERNu k finálnímu závěrečnému posouzení.

Spolupráce na mezinárodní úrovni
Tohoto projektu se neúčastnili studenti jen u nás, v Opavě. Ve stejné době, společně s nimi, na stejné třídě dat pracovali souběžně účastníci International Masterclasses na dalších třech zahraničních pracovištích. Byla jimi fyzikální oddělení institucí LIP MINHO v Portugalsku, Univerzity v Pise (Itálie) a Univerzity v Niš (Srbsko). Celkově se tak podařilo sesbírat větší množství údajů, než bychom zvládli vyhodnotit jednotlivě. Tuto práci v běžném výzkumu odvádějí automatizované systémy, avšak postupy, které za nimi stojí, musí zvládnout každý experimentální částicový fyzik.

Závěrečná hodina byla vyhrazena videokonferenci mezi účastníky z jednotlivých institucí a pracovníky CERNu. Ti vystoupili v roli moderátorů. Byli jimi Ina Carli, shodou okolností doktorandka Karlovy univerzity, zabývající se polovodičovými detektory na experimentu ATLAS, a Chris Martin, pověřený na detektoru ATLAS pixelovými detektory, zajišťující bezproblémový sběr dat a též jejich analýzu. Hned na počátku videopřenosu se k nám ještě několikrát připojil neplánovaný pátý účastník, nejspíše omylem, čímž vzbudil rozruch i mezi moderátory, jež se mezitím stačili alespoň představit. Následovalo seznámení i s ostatními institucemi, a poté se již diskutovaly jednotlivé dosažené výsledky. Komunikace probíhala v angličtině. Dotazy moderátorů byly věcně fyzikální a podrobné. Účastníci opavské skupiny na ně přesto dokázali příhodně reagovat. Celkový počet jimi analyzovaných i zaznamenaných událostí s rozpadem Higgsova bosonu vzbudil pozornost. Následovaly volné dotazy na oba moderátory a několik kvízových otázek, v nichž si bylo možné ověřit celkový přehled z fyziky mikrosvěta. Celkový dojem z videokonference na naší straně kazila projekční technika, docházelo k permanentně se opakujícím výpadkům obrazu projektoru. Situace byla řešena provizorně sledováním přenosu na monitoru počítače. Příčina problémů nebyla Centrem výpočetní techniky FPF SU dosud uspokojivě rozpoznána.

Lidé v pozadí
Nezbytné materiální i personální zabezpečení bylo laskavě poskytnuto vedením Filozoficko-přírodovědecké fakulty. S organizací rovněž vypomohli studenti oborů Astrofyzika a Teoretická fyzika – Simona Beerová, Vendula Doubravská, Kateřina Goluchová, Lukáš Rafaj a Zuzana Turoňová. Technickou pomoc a videozáznam z akce poskytli studenti prvního ročníku Multimediálních technik Arnošt Holan, Libor Kilnar a Duc Thang Nguyen. Těm patří naše poděkování, a jistě nejen naše, ale i všech účastníků letošních International Masterclasses konaných v Opavě, neboť bez jejich vstřícného přístupu bychom se obešli jen stěží. Budiž Vaše pomoc příkladem ostatním v nadcházejících ročnících konání akce.