Què fa una jove enginyera pirinenca al CERN?

Aquests dies, després d’haver rebut el premi Dona TIC en la categoria d’Estudiant Universitària, hi ha molta gent que vol saber més detalls sobre la feina que desenvolupo al Centre Europeu de Recerca Nuclear (CERN), que és on ara faig les pràctiques de màster i on redacto el projecte final del màster en Cloud i infraestructures de xarxa. És per això que escric aquest article, per il·lustrar —o si més no intentar-ho— en què consisteix la meva feina al CERN, què és el laboratori de física de partícules més gran del món.

El CERN es una organització immensa. Les seves instal·lacions són tan grans que podríem comparar-la amb una ciutat on hi treballen dotze mil científics. Una de les seves peculiaritats és que les instal·lacions són a banda i banda de la frontera que separa França i Suïssa. Com que l’apartament en que visc es troba a França, però la meva oficina és a territori suís, cada dia travesso aquesta frontera com a mínim dues vegades, i això fa que la experiencia que hi visc sigui encara més internacional.

Les àrees d’estudi en què els científics del CERN basen la seva feina són molt variades i alhora complementàries per al desenvolupament de la recerca més innovadora i pionera en física de partícules.

CERN Audiovisual Media

S’hi realitzen diversos tipus d’experiments, de petita fins a gran escala, per ajudar-nos a entendre l’origen de l’univers i estudiar els components indivisibles que formen els àtoms, les anomenades partícules elementals —els quarks— i les forces que les uneixen —els gluons. Trobem evidències de l'existència d’aquestes partícules subatòmiques amb les observacions dels xocs d'àtoms que es produeixen dins de l’accelerador de partícules més gran i més potent del planeta, l’anomenat Large Hadron Collider, o Gran Col·lisionador d’Hadrons. Aquest accelerador està situat en un túnel circular que té un recorregut de 27 quilòmetres i discorre a uns 100 metres sota terra. Pel seu interior s’hi fan passar dos feixos de partícules que viatgen en direccions oposades. Els feixos són impulsats per la força que generen uns camps electromagnètics molt potents —de fins a 100.000 vegades el camp magnètic terrestre— que han estat creats per un conjunt d'imants superconductors. El recorregut del túnel no només fa la volta a les instal·lacions del CERN, sinó que també passa pel subsòl dels pobles del voltant. Fa una certa gràcia pensar que per sota el meu apartament, o per sota el supermercat, poden estar passant de manera ininterrompuda partícules a la velocitat més gran que s’ha pogut assolir al planeta Terra.

CERN Audiovisual Media

Quan s’aconsegueix que les partícules viatgin a aquesta velocitat, propera a la de la llum, es fan coincidir els feixos en quatre punts determinats perquè les partícules xoquin. En aquests punts hi ha instal·lats diferents detectors, que recullen la informació dels xocs i des d’on s’extreuen totes les dades i mesures. S’hi realitzen quatre experiments principals, cada un dels quals es focalitza en la recerca en un camp de la física de partícules específic. En concret, l’experiment en el que jo treballo es diu ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Les dimensions del seu detector no són gens negligibles: pesa unes 10,000 tones i medeix 26 metres de llargada, 16 d'alçada i 16 d’amplada. Com podreu suposar, són moltíssimes les partícules que segueixen el gran recorregut de l’accelerador. Això fa que, aproximadament, dins del detector tinguin lloc 50.000 col·lisions per segon. Al seu interior hi ha integrats diferents instruments que mesuren diverses propietats, com l'energia, la velocitat i la trajectòria. Aquest procés de mesura podria ser entès com la captació d’una fotografia de gran resolució de cadascuna de les col·lisions que s’hi produeixen.

CERN Audiovisual Media

En resum, si tenim en compte que les partícules arriben tota l'estona, que n’hi ha moltes i que se'n mesuren moltes qualitats, la quantitat de dades que s’hi genera és d’un ordre de magnitud altíssim. Perquè us en feu una idea, en el volum de dades que s’extreuen cada segon —3.5 terabits—, s’hi podria emmagatzemar 474 hores de video —gairebé vint dies— en qualitat Full HD. Si intentéssim utilitzar la memòria del meu telèfon —un iPhone 11 de 64 GB— per a emmagatzemar les dades a mesura que s’extreuen, l’ompliria en 18 milisegons, i en necessitaríem cinquanta-sis per a fer-hi cabre un segon d’enregistrament!

Però només amb les dades extretes no es va enlloc. És necessari processar-les i analitzar-les per poder entendre què és el que passa i que ens puguin explicar el perquè dels fenòmens físics que observem en el nostre dia a dia. Encara que es pugui pensar que l’ estudi de partícules tan petites no té implicacions en la nostra vida quotidiana, al CERN s’hi han fet descobriments que han revolucionat la física moderna. Un dels més recents es el del bosó de Higgs, que ha permès trobar l'explicació d’un fenomen bàsic en la nostra concepció de la matèria: la massa. L’experiment ALICE es basa en l’estudi de l’estat primigeni de la matèria, conegut com a plasma de quarks i gluons, el qual va existir fins a pocs mil·lisegons després del Big Bang i des del qual la matèria ordinària que observem avui va ser creada.

CERN Audiovisual Media

Per dur a terme aquestes anàlisis s’han de realitzar moltíssims càlculs utilitzant algoritmes complexos. Aquests necessiten quantitats immenses d’espai d’emmagatzematge i potència de computació. La dificultat rau en què s’han d’utilitzar centenars de milers d’ordinadors a la vegada, ubicats en aproximadament cent centres de computació repartits pel planeta, treballant junts en la mateixa tasca i en els grans volums de dades extretes dels col·lisionadors. Un sistema realitza la sincronització d’aquests ordinadors, encarregant-se de la coordinació de la feina i la distribució de les dades. Aquí entra en joc la secció on jo treballo. Ens encarreguem d’implementar el sistema que orquestra el processament i la distribució de les dades i que assegura que els físics puguin analitzar-ne els resultats ràpidament i eficientment. La xarxa d’investigadors que colaboren en tots els àmbits de l’experiment està distribuïda arreu del món: a més de totes les persones que hi treballen des de les instal·lacions locals, hi ha prop d’uns 2.000 investigadors contribuint-hi des de les seves institucions d’origen. Un número similar d’investigadors treballen en els tres altres experiments del LHC. Això permet que els centres de computació utilitzats estiguin situats en cadascuna de les organitzacions col·laboradores, repartides pel planeta. Trobem centres de diferents dimensions, des dels més petits (pocs centenars de servidors) fins als més grans (desenes de milers de servidors) i cadascun d’ells té les seves característiques i peculiaritats. Per a poder treure'n el màxim partit, intentem trobar la manera òptima d’adaptar el sistema implementat i de buscar solucions als reptes que la seva utilització ens planteja. Concretament, la feina que hi realitzo té com a objectiu final adaptar el nostre software perquè pugui ser utilitzat en uns dels sistemes més potents disponibles avui en dia, els supercomputadors.

L’àrea on treballo és, com haureu deduit, una peça clau per l’avenç de la física de partícules. Sense la infraestructura que permeti analitzar les dades extretes de les col·lisions de partícules, molts dels descobriments que ens han portat a comprendre millor l’interior de la matèria —de què estem fets nosaltres i la resta de l’univers— no s’haurien produït mai. El CERN és un institut de recerca multidisciplinar que promou activament la diversitat de la investigació. Per tant, els descobriments i avenços tecnològics que han tingut lloc a les seves instal·lacions són molt diversos. Sense anar més lluny, al CERN hi va néixer la World Wide Web, que avui en dia és indispensable per a connectar-nos i rebre i compartir informació. La tecnologia que s’hi ha desenvolupat també ha servit per a realitzar contribucions importants en l'àmbit de la medicina, com ara el desenvolupament de teràpies per al tractament del càncer i d’altres malalties utilitzant radioisòtops, o per a desenvolupar els detectors que s’utilitzen en les ressonàncies magnètiques. Està demostrat que la intensa recerca en física que es fa en aquest gran laboratori també és útil per a la investigació i implementació de noves eines i mètodes amb aplicacions en indústries molt variades.

De ben segur que la investigació realitzada al CERN té per endavant un gran futur, amb descobriments físics que ens portaran a conèixer millor el que ens envolta, i que conduiran a un gran nombre de desenvolupaments paral·lels que seran utilitzats en diferents aplicacions en tots els àmbits de la societat. Durant els mesos que porto treballant-hi, he vist com se superaven les fronteres de la informàtica, portant els centres de computació a nivells d'eficiència elevadíssims. He treballat en un ambient multicultural, amb professionals molt motivats per la seva feina i que comparteixen una visió comuna per aconseguir els millors resultats possibles. Les instal·lacions del CERN són, sense cap mena de dubte, una parada obligatòria per a aquells esperits curiosos que vulguin conèixer més detalls sobre la recerca que s’hi desenvolupa i tot el que s’hi ha descobert. A través de les visites guiades i de la seva gran exposició sobre ciència, podreu viure una sorprenent immersió en la física de partícules.