فیزیکدانان و دانش آموزان داده های PHENIX را برای دسترسی آسان فرمت می کنند

تلاش، داده‌های مورد نیاز برای باز کردن اسرار ماده را استاندارد می‌کند و در عین حال مهارت‌ها را ایجاد می‌کند و چهره‌های جدیدی را به علم می‌آورد.

کریستین ناتراس، استاد فیزیک در دانشگاه تنسی (یوتا)، ناکسویل، تیمی را که عمدتاً در مقطع لیسانس هستند، استخدام کرده است تا به کاوش عمیق در داده های حاصل از برخورد میلیاردها ذره در شتاب دهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC)—تاسیسات کاربر دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) برای تحقیقات فیزیک هسته ای در آزمایشگاه ملی بروکهاون DOE. هدف آنها: قالب بندی مجدد داده ها از مقالات تحقیقاتی منتشر شده توسط RHIC آشکارساز PHENIX همکاری و آپلود آن در یک پایگاه داده مدرن که اکنون در جوامع تحقیقاتی فیزیک هسته ای و انرژی بالا (HEP) استفاده می شود.

انتشار داده‌های PHENIX در این پایگاه داده، که به عنوان “HEPData” شناخته می‌شود، آن را در دسترس هر کسی قرار می‌دهد که می‌خواهد یافته‌های جدید را با اندازه‌گیری‌های تاریخی یا نتایج آزمایشی به آزمایش دیگر مقایسه کند – یا ببیند چگونه نتایج تجربی با توصیفات نظری ساختمان مطابقت دارند. بلوک های ماده

تیم تقریباً کار خود را به پایان رسانده است، با موفقیت دوباره قالب‌بندی و بارگذاری داده‌های 201 مقاله از 219 مقاله منتشر شده PHENIX را انجام داده است.

Nattras گفت: “ما با بسیاری از داوطلبان PHENIX کار کردیم، از جمله برخی از افرادی که در دوران ابتدایی این مقاله ها نوشته شده بودند.” “این یک تلاش مشترک مداوم است.”

عمیق در داده ها

این پروژه زمانی آغاز شد که Nattrass با دانش‌آموزان کار کرد تا یافته‌های تجربی RHIC را با پیش‌بینی‌هایی درباره نحوه رفتار ذرات یافت شده در برخورد مقایسه کند. اما برای انجام این مقایسه‌ها، آنها نه تنها به مقالات علمی – که یافته‌ها را در نمودارها و نمودارها خلاصه می‌کنند و شامل تفاسیر دانشمندان می‌شوند، نیاز داشتند – بلکه به همه نقاط داده‌ای که آن نمودارها و نمودارها را ایجاد می‌کنند نیز نیاز داشتند.

از تمام نقاط داده تولید شده توسط تجزیه و تحلیل معمولی PHENIX از برخورد ذرات، تنها بخش کوچکی ممکن است وارد مقاله منتشر شده شود. Nattrass به مقاله ای اشاره کرد که در آن مجموعه داده ها بیش از 2000 جدول داده را پر کرده است. او گفت: «این داده‌ها بسیار بیشتر از آن چیزی است که می‌توانید روی کاغذ بیاورید.

این داده ها در وب سایت اصلی همکاری PHENIX وجود دارد، اما دسترسی به وب سایت اکنون برای اعضای گروه PHENIX محدود شده است. او گفت، حتی برای اعضای PHENIX مانند Nattrass، تبدیل داده ها به یک قالب مفید می تواند دشوار باشد. در روزهای اولیه RHIC، که به سال 2000 بازمی‌گردد، زمانی که دانشمندان مشتاق بودند همه داده‌های خود را با ارسال آن در وب‌سایت‌های مشترک که زمانی باز می‌شدند به اشتراک بگذارند، هیچ استاندارد واحدی برای نحوه ظاهر شدن آن داده‌ها وجود نداشت. اغلب اعداد به سادگی در فایل های متنی قرار می گیرند که برای جستجو و مرتب سازی آسان فرمت نشده اند. نتراس استدلال کرد که قالب‌بندی مجدد این داده‌ها به قالب استاندارد شده و در دسترس عموم HEPData، به او و دانش‌آموزانش اجازه می‌دهد تا مقایسه‌های خود را انجام دهند. و داده ها را برای دانلود برای هر کسی که می خواهد در آینده دسترسی داشته باشد در دسترس قرار دهید.

او گفت: «هنگامی که در HEPData آپلود شد، می‌توانید تنها با کلیک یک دکمه به همه داده‌ها دسترسی داشته باشید.

برای هر مقاله، فیزیکدانان PHENIX به عنوان کلید کنترل کیفیت عمل می کنند. با درک عمیق از فیزیک، آنها باید اطمینان حاصل کنند که داده های فرمت شده به طور دقیق نتایج آشکارساز را نشان می دهد – قبل از اینکه در پایگاه داده مرکزی بارگذاری شود.

ماکسیم پوتخین، هماهنگ‌کننده PHENIX HEPData و عضو گروه نرم‌افزار فیزیک هسته‌ای و ذرات (NPPS) در آزمایشگاه بروکهاون، بر همه ارسال‌ها نظارت می‌کند.

ما با سرن بسیار نزدیک کار می کنیم [Europe’s nuclear and particle physics lab] پوتهین گفت: و جامعه انرژی بالا و فیزیک هسته ای به طور کلی از بهترین ابزارها و شیوه ها برای حفظ داده های PHENIX و تجزیه و تحلیل های فیزیک استفاده کنند. این تلاش به دلیل مشارکت فعال اعضای PHENIX و کار تیمی موثر در PHENIX و گروه NPPS موفقیت آمیز بود. نتایج به دست آمده با همکاری با گروه کریستین در UT برای PHENIX و برای جامعه فیزیک هسته ای بسیار قابل توجه بود.

فرصت هایی برای دانش آموزان

ناتراس گفت: «برای چندین سال، ما این کار را به صورت انگلی انجام دادیم. “از آنجایی که من دانش‌آموزانی داشتم که روی پروژه‌ها کار می‌کردند و آنها به داده‌ها برای تجزیه و تحلیل نیاز داشتند، آنها داده‌ها را قالب‌بندی کردند و در HEPData آپلود کردند.”

در برخی موارد، Nattrass به دانش‌آموزان این فرصت را می‌دهد که بر روی آپلودهای HEPData کار کنند تا اعتبار مطالعاتی مستقلی را کسب کنند که شرایط انتخابی فیزیک را برآورده می‌کند.

ناتراس گفت: “گاهی اوقات دانشجویان متوجه می شوند که واحدهای انتخابی کافی برای فارغ التحصیلی در ترم آخر خود ندارند.” “این پروژه این نیاز را برآورده می کند.”

آنها همچنین اغلب مهارت هایی را به دست می آورند که می توانند در رزومه خود بگنجانند.

آنها یاد خواهند گرفت که چگونه از خط فرمان لینوکس استفاده کنند. آنها تجزیه و تحلیل داده های زیادی را انجام می دهند، حتی اگر سطح فوق العاده بالایی نباشد. آنها یاد خواهند گرفت که چگونه از چندین زبان برنامه نویسی مختلف استفاده کنند و تجربه عملی به دست آورند.

در سال 2019، او پروژه HEPData را در “تجربه تحقیقاتی دوره لیسانس” (CURE) که تدریس می کرد، گنجاند. او خاطرنشان کرد که چنین تحقیقات مبتنی بر دوره به حفظ دانشجویان در رشته های علوم کمک می کند. همچنین برای دانشجویانی که در غیر این صورت ممکن است به دنبال یک تجربه تحقیقاتی نباشند، جذاب است – مثلاً با درخواست فرصت از یک استاد منفرد.

Nattras گفت: “این به آنها فرصتی می دهد تا به روشی کمتر مخرب در تحقیقات شرکت کنند.” “وقتی برای یک کلاس ثبت نام می کنید، می دانید برای چه چیزی ثبت نام می کنید.”

این دوره طیف وسیعی از دانش‌آموزان، از جمله برخی از دانش‌آموزان «غیر سنتی» را که از آموزش خود استراحت کرده بودند، و زنان و دانش‌آموزان گروه‌های دیگر که معمولاً در زمینه‌های علوم، فناوری، مهندسی و ریاضیات (STEM) کمتر حضور داشتند، جذب کرد.

ناتراس گفت: «از 20 دانش آموزی که از زمانی که من درمان من را شروع کردم، 50 درصد را زنان و 25 درصد را اقلیت هایی تشکیل می دهند که کمتر حضور دارند. این را با جمعیت افراد دارای مدرک لیسانس فیزیک در ایالات متحده مقایسه کنید: 22٪ از آنها زن هستند و حدود 15٪ اقلیت هایی هستند که کمترین نمایندگی را دارند.

ناتراس گفت: “دانشجوی فارغ التحصیل کریستال مارتین، که خود یک دانشجوی غیر سنتی بود، به سرعت بخشیدن به دانش آموزان کمک کرد.”

مارتین کار بر روی پروژه HEPData را در دوران دانشجویی آغاز کرد.

او به یاد می آورد: “من داده های چندین مقاله را دوباره قالب بندی کردم تا بتوانم از داده های HEPData استفاده کنم.” من به عنوان یک دانشجوی کارشناسی ارشد به تحقیق ادامه دادم و شروع به راهنمایی سایر فیزیکدانان جدید کردم. من توانستم با بیش از دوازده دانشجو و محقق تابستانی CURE که زمینه ها و مهارت های متفاوتی دارند کار کنم. من عاشق این هستم که بتوانم دانش آموزان را با تکالیف HEPData شروع کنم و پیشرفت آنها را از کار اولیه تا شروع تجزیه و تحلیل خود ببینم – دقیقاً مانند من.

نوآوری های نرم افزاری

تام کروباخ، یک رشته دو رشته فیزیک و علوم کامپیوتر که به طور تمام وقت در حین رفتن به مدرسه کار می کرد و یکی از اولین دانش آموزان Nattrass CURE بود، ابزار نرم افزاری نوشت که گروه هنوز از آن استفاده می کند.

ابزاری به نام YAMLmaker فایل های متنی را به یک زبان سریال سازی داده ها به نام YAML تبدیل می کند که در علوم کامپیوتر و صنعت استفاده می شود. فایل های متنی را بررسی می کند و جداول اصلی حاوی نقاط داده را به فرمت YAML تبدیل می کند. Nattrass توضیح داد که این کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که داده ها می توانند به درستی تفسیر شوند. این نرم‌افزار می‌تواند تغییرات نحوه ثبت داده‌های خود را توسط فیزیکدانان RHIC و دانشجویان فارغ‌التحصیل انجام دهد.

کروباچ گفت: “افراد مختلف می توانند داده ها را به میلیون ها روش مختلف قالب بندی کنند.” YAMLmaker می‌تواند تغییرات طرح‌بندی ورودی را مدیریت کرده و آنها را به YAML تبدیل کند، که سپس می‌تواند برای HEPData و برای پردازش در سیستم‌ها و برنامه‌های دیگر استفاده شود.

تجربه و نوآوری کروباچ مسیر آینده آن را تعیین می کند.

او گفت: “YAML یک قالب یا زبان بسیار محبوب مانند HTML نیست — همه می دانند که چیست.” «تجربه من در کار با YAML، که در بین دانشجویان رایج نیست، به من اجازه داد مستقیماً شغلی پیدا کنم. من اکنون یک مدیر سیستم برای محاسبات با عملکرد بالا در دانشگاه تنسی هستم. من برای گروهی کار می کنم که محاسبات سازمانی را روی خوشه محاسباتی با عملکرد بالا در آزمایشگاه ملی Oak Ridge انجام می دهد.

بهتر از خرده فروشی

در ژانویه 2022، با اطلاعاتی از حدود 55 مقاله PHENIX که در HEPData آپلود شد، Nattrass تصمیم گرفت برای کمک هزینه تحقیقاتی خود درخواست کند که به او اجازه می دهد برای کار در آپلود HEPData به دانش آموزان پول بدهد.

او گفت: «من فکر کردم که می‌توانم بیشتر داده‌های باقی‌مانده PHENIX را که برای HEPData قالب‌بندی شده‌اند، با پرداخت پول به دانشجویان دریافت کنم.

با توجه به اینکه بسیاری از دانش‌آموزان به هر حال برای حمایت از تحصیل خود کار می‌کنند، او استدلال کرد، چرا به آن‌ها این فرصت را نمی‌دهیم که با برنامه‌ای انعطاف‌پذیر، با دستمزد مناسب، کار کنند و مهارت‌های قابل فروش در این فرآیند ایجاد کنند؟

زمانی که بورسیه اعطا شد، یکی از دانشجویانی که این کار را آغاز کرد، نیکلاس نلسون بود. او به عنوان یک دانشجوی مهندسی در دانشگاه UT شروع به کار کرده بود، به فیزیک روی آورد، سپس به دلیل کووید از تعامل با دانشجویان دیگر محروم شد. پس از گذراندن سال اول خود در خارج از کشور در ولز، او تا حدودی با سایر رشته های فیزیک احساس عدم هماهنگی کرد. کار با Nattrass به او فرصتی داد تا دوباره ارتباط برقرار کند.

نلسون گفت: «به هر حال می‌خواستم شغلی پیدا کنم، احتمالاً در جهنم خرده‌فروشی، و تقریباً همان هزینه را داشت، بنابراین گفتم: «چرا نه؟» و در نهایت با برنامه‌ام خیلی خوب کار کرد.

در مجموع، نلسون حدود 70 درصد از مقالات PHENIX را که در HEPData منتشر شده بود، دوباره قالب بندی کرد. او همچنین در تابستان گذشته به سایر دانش آموزان کمک کرد. اکنون او در یک برنامه کارشناسی ارشد در رشته فیزیک پزشکی در دانشگاه UT ثبت نام کرده است و از تمام دانش فیزیک و داده های خود به خوبی استفاده می کند.

او از روحیه مشارکتی پروژه لذت می برد.

او گفت: «مشکلات مختلفی که هر روزنامه داشت به قدری وجود داشت که برای کمک به سراغ هرکسی که قبلاً با مشکل مشابهی روبرو شده بود می رفتید. «این کار که با داده‌های فیزیک سروکار دارد به من این امکان را داد که ببینم افراد جامعه فیزیک که با آن‌ها در کلاس بودم، آنقدر که فکر می‌کردم تنبل نیستند. آنها فقط یک دسته از آدم های قلابی مثل من بودند و این یک نوع سرگرم کننده بود.

* آشکارساز PHENIX RHIC از سال 2000 تا 2016 کار می کرد. این همکاری به تجزیه و تحلیل داده های جمع آوری شده در آن زمان و انتشار مقالاتی با تأثیرات مداوم بر علم هسته ای ادامه می دهد.

آزمایشگاه ملی بروکهاون

آزمایشگاه ملی بروکهاون توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید Science.energy.gov.

BrookhavenLab@ را در رسانه های اجتماعی دنبال کنید. ما را در پیدا کنید اینستاگرام، لینکدین، توییترو فیس بوک.

Brookhaven Science Associates

Brookhaven Science Associates آزمایشگاه ملی Brookhaven را به نمایندگی از دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده مدیریت و اداره می کند. BSA یک مشارکت بین Battelle و بنیاد تحقیقات برای دانشگاه ایالتی نیویورک به نمایندگی از دانشگاه استونی بروک است.