Conception, réalisation et exploitation du traitement de données de l'expérience ALICE pour la ...

275 Pages·2013·40.85 MB·French

by  Federico Carminati

UNIVERSITÉ DE NANTES
FACULTÉ DES SCIENCES ET DES TECHNIQUES
_____

ECOLE DOCTORALE 3MPL
MATIERE, MOLECULE, MATERIAUX EN PAYS DE LA LOIRE

Année 2013

Conception, réalisation et exploitation du traitement de
données de l'expérience ALICE pour la simulation, la
reconstruction et l'analyse
___________

THÈSE DE DOCTORAT
Discipline : Physique
Spécialité : Constituants Élémentaires et Physique Théorique

Présentée
et soutenue publiquement par

Federico CARMINATI
Le 22 février 2013, devant le jury ci-dessous

Président : Jacques MARTINO
Rapporteurs : Patrick AURENCHE, Directeur de Recherche Emeritus, LAPTH - Laboratoire d'Annecy-
le-Vieux de Physique Théorique ;
Yacine KADI, Professeur, CERN – Organisation Européenne pour la Recherche
Nucléaire, Genève, Suisse, & Department of Energy Sciences, Sungkyunkwan University,
Republic of Korea.
Examinateurs : Sonia KABANA, Professeur II, Université de Nantes, Département de Physique et
Laboratoire SUBATECH
Jacques MARTINO, Directeur de l'Institut National de Physique Nucléaire et de Physique
des Particules (IN2P3) du CNRS, Paris,
Yves SCHUTZ, CNRS et CERN
Directeur de thèse : Yves SCHUTZ

Traitement
 des
 données
 de
 l’expérience
 ALICE

-­‐
 Ou
 d'aller
 encore
 une
 fois,
 ô
 forêt
 pleine

de
 mystère,
 -­‐
 jusqu'à
 ce
 lieu
 que
 je
 connais,

où,
 dans
 une
 eau
 morte
 et
 brunie,
 trempent

et
 s'amollissent
 encore
 les
 feuilles
 des
 ans

passés,
 les
 feuilles
 des
 printemps
 adorables.

C'est
 là
 que
 se
 reposent
 le
 mieux
 mes

résolutions
 inutiles,
 et
 que
 se
 réduit
 à
 la
 fin,

à
 peu
 de
 chose,
 ma
 pensée.

André
 Gide,
 Paludes

À
 Giuliana

sans
 qui
 ce
 travail,

comme
 beaucoup
 d’autres
 choses,

n’aurait
 pas
 eu
 lieu.

À
 mes
 parents.

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 ALICE

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 l’expérience
 ALICE

Remerciements

Je
 voudrais
 remercier
 mon
 directeur
 de
 thèse,
 le
 Dr.
 Y.
 Schutz,
 pour
 son
 soutien

dans
 cette
 aventure
 tardive
 et
 inhabituelle.
 J’ai
 du
 mal
 à
 imaginer
 quelqu’un

d’autre
 avec
 qui
 j’aurais
 pu
 être
 doctorant
 et
 en
 même
 temps
 travailler
 au
 jour
 le

jour
 avec
 autant
 de
 plaisir.
 Son
 sens
 de
 l’humour,
 sa
 compétence
 et
 son
 amitié

m’ont
 été
 précieux.

Je
 tiens
 à
 remercier
 l'ensemble
 des
 membres
 du
 jury
 pour
 l'honneur
 qu'ils
 m'ont

fait
 en
 acceptant
 de
 juger
 ce
 travail
 de
 doctorat
 :
 Patrick
 Aurenche,
 Directeur
 de

Recherche
  au
  LAPTH,
  Annecy
 ;
  Sonia
  Kabana,
  Professeur
  à
  l'Université
  de

Nantes
 ;
 Yacine
 Kadi,
 directeur
 du
 projet
 HI-­‐ISOLDE
 au
 CERN
 et
 Professeur
 à

l'Université
 de
 Sungkyunkwan
 (Corée)
 et
 Jacques
 Martino,
 directeur
 de
 l'IN2P3.

Ce
 travail
 doit
 son
 existence
 à
 Giuliana,
 mon
 épouse.
 C’est
 elle
 qui
 m’a
 encouragé,

soutenu
 et
 inspiré
 tout
 au
 long,
 parfois
 avec
 discrétion
 et
 parfois
 de
 façon
 très

explicite.
 Il
 m’en
 a
 fallu
 autant
 pour
 sortir
 de
 mes
 doutes,
 et
 je
 la
 remercie
 pour

son
 énergie
 et
 sa
 détermination.
 Avec
 l’amour
 en
 prime.

Pour
 mes
 collègues,
 qui
 m’ont
 accompagné
 pendant
 toutes
 ces
 années
 et
 avec

lesquels
 nous
 avons
 imaginé,
 bâti
 et
 déployé
 le
 système
 de
 calcul
 de
 ALICE,

j’éprouve
 un
 sentiment
 de
 gratitude
 que
 les
 mots
 ne
 peuvent
 exprimer.
 Ceux
 qui

je
 voudrais
 remercier,
 au
 CERN
 mais
 aussi
 ceux
 dispersés
 aux
 quatre
 coins
 du

monde,
 sont
 trop
 nombreux
 pour
 les
 nommer
 sans
 craindre
 d’en
 oublier.
 Parmi

eux,
  une
  personne
  a
  tenu
  une
  place
  spéciale,
  Latchezar
  Betev,
  collaborateur

fidèle
 et
 ami,
 pierre
 angulaire
 sur
 laquelle
 tout
 l’édifice
 a
 été
 bâti.
 Parce
 que

c'était
 lui,
 parce
 que
 c'était
 moi.

Un
 grand
 merci
 à
 Yiota
 Foka
 pour
 son
 amitié
 et
 pour
 ses
 conseils
 tout
 au
 long
 de

ce
 travail.

Merci
 et
 merci
 encore
 à
 Maud
 Struchen,
 notre
 chère
 correctrice,
 pour
 sa
 lecture

attentive
 et
 intelligente
 de
 mon
 manuscrit.

En
  dernier
  je
  ne
  peux
  m’empêcher
  d’avoir
  une
  petite
  pensée
  pour
  ma

psychanalyste,
 Madame
 Françoise
 Palmaro,
 car
 l’achèvement
 de
 ce
 travail
 sera

pour
 elle
 l’occasion
 d’un
 changement
 de
 sujet
 dans
 nos
 conversations,
 ce
 que

j’imagine
 être
 bienvenu.

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 l’expérience
 ALICE

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 l’expérience
 ALICE

Résumé

L'expérience
 ALICE
 (A
 Large
 Ion
 Collider
 Experiment)
 auprès
 de
 l'accélérateur

LHC
  (Large
  Hadron
  Collider)
  du
  CERN
  (Organisation
  Européenne
  pour
  la

Recherche
 Nucléaire)
 s'appuie
 sur
 un
 environnement
 logiciel
 intégré
 pour
 la

conception
 du
 dispositif
 expérimental,
 l'évaluation
 de
 ses
 performances
 et
 le

traitement
 des
 données.
 Cet
 environnement
 a
 été
 conçu
 par
 l’auteur.
 Il
 inclut
 des

générateurs
 d'événements,
 les
 algorithmes
 de
 transport
 des
 particules
 décrivant

de
  façon
  détaillée
  les
  interactions
  particule-­‐matière
  (conçus
  et
  réalisés
  par

l’auteur),
 les
 reconstructions
 des
 traces
 des
 particules
 et
 leur
 identification,
 et
 les

analyses
 finales
 de
 physique.

Mots-­‐clés
 :
 Ion
 lourds,
 logiciel,
 grille
 informatique,
 nuage
 informatique,
 génie

logiciel,
 reconstruction,
 simulation,
 analyse

Summary

The
 ALICE
 (A
 Large
 Ion
 Collider
 Experiment)
 at
 the
 CERN
 (Conseil
 Européen

pour
  la
  Recherche
  Nucléaire)
  LHC
  (Large
  Hadron
  Collider)
  facility
  uses
  an

integrated
 software
 framework
 for
 the
 design
 of
 the
 experimental
 apparatus,
 the

evaluation
 of
 its
 performance
 and
 the
 processing
 of
 the
 experimental
 data.
 The

author
 has
 designed
 this
 framework.
 It
 includes
 the
 event
 generators
 and
 the

algorithms
  for
  particle
  transport
  describing
  the
  details
  of
  the
  interaction

particles-­‐matter
 (designed
 and
 implemented
 by
 the
 author),
 the
 reconstruction

of
 the
 particle
 trajectories
 and
 the
 final
 physics
 analysis.

Keywords:
  Heavy
  Ions,
  software,
  Grid,
  Cloud,
  software
  engineering,

reconstruction,
 simulation,
 analysis

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 l’expérience
 ALICE

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 l’expérience
 ALICE

Synopsis

Depuis
  son
  démarrage
  en
  septembre
  2010,
  l’expérience
  ALICE
  (A
  Large
  Ion

Collider
 Experiment)
 auprès
 de
 l'accélérateur
 LHC
 (Large
 Hadron
 Collider)
 du

CERN
 (Organisation
 Européenne
 pour
 la
 Recherche
 Nucléaire)
 a
 récolté
 154
 µb-­‐1

de
 collisions
 Plomb-­‐Plomb,
 18,2
 pb-­‐1
 de
 collisions
 proton-­‐proton
 et
 60
 µb-­‐1
 de

collisions
  proton-­‐Plomb
  pour
  un
  total
  de
  2,9
 x
 109
  collisions
  proton-­‐proton,

5
 x
 108
 collisions
 Plomb-­‐Plomb
 et
 107
 collisions
 proton-­‐Plomb.
 Le
 détecteur
 a

enregistré
 7
 Po
 de
 données
 brutes
 et
 a
 produit
 10
 Po
 de
 données
 pour
 un
 total
 de

550
 millions
 de
 fichiers,
 nécessitant
 pour
 cela
 l’équivalent
 de
 55.000
 années
 de

temps
 de
 calcul.
 Cette
 énorme
 entreprise
 de
 traitement
 de
 données
 a
 été
 réalisée

au
 cours
 des
 trois
 dernières
 années
 sur
 plus
 de
 quatre-­‐vingt
 centres
 de
 calcul,

dans
 trente
 pays
 travaillant
 ensemble
 grâce
 à
 une
 structure
 de
 calcul
 distribuée

appelée
  Grille
  informatique,
  principalement
  développée
  par
  et
  pour
  la

communauté
 mondiale
 de
 la
 Physique
 des
 Haute
 Énergies.
 C’est
 seulement
 au

prix
 d’un
 tel
 effort
 que
 les
 résultats
 expérimentaux
 peuvent
 être
 analysés
 et

interprétés
 pour
 en
 extraire
 les
 informations
 «
 physiques
 »
 qui
 font
 progresser

notre
 connaissance
 de
 la
 structure
 intime
 de
 la
 matière.

Pour
  mettre
  en
  œuvre
  une
  telle
  entreprise,
  la
  collaboration
  ALICE
  a
  dû

développer
 pendant
 plus
 de
 dix
 années
 une
 suite
 de
 programmes,
 qui
 compte

aujourd’hui
 plus
 de
 10
 millions
 de
 lignes
 de
 code,
 et
 participer
 activement
 au

développement
 et
 au
 déploiement
 de
 la
 première
 et
 de
 la
 plus
 grande
 structure

de
 calcul
 intégrée
 et
 distribuée
 au
 monde.
 Cette
 thèse
 décrit
 l’architecture
 de

l’infrastructure
 de
 calcul
 de
 l’expérience
 ALICE
 au
 LHC
 et
 son
 développement,
 de

mon
 point
 de
 vue
 très
 personnel
 qui
 est
 celui
 du
 coordinateur
 du
 calcul
 qui
 a

guidé
 ce
 projet
 de
 la
 phase
 initiale
 de
 conception
 jusqu’à
 son
 déploiement
 et
 son

application
 au
 traitement
 des
 données
 des
 collisions
 de
 protons
 et
 d’ions
 lourds

générées
 par
 le
 LHC
 et
 détectées
 par
 le
 détecteur
 construit
 par
 la
 collaboration

ALICE.

Si
 l’effort
 informatique
 déployé
 pour
 le
 LHC
 est
 considérable,
 et,
 dans
 un
 sens,

d’une
 ampleur
 sans
 précédent,
 il
 est
 tout
 aussi
 vrai
 que
 depuis
 ses
 débuts
 la

Physique
 des
 Hautes
 Énergies
 s'est
 fortement
 appuyée
 sur
 les
 ordinateurs
 pour

extraire
 les
 résultats
 de
 physique
 à
 partir
 des
 observations
 expérimentales.

Toutefois,
 la
 complexité
 de
 l'informatique
 pour
 la
 Physique
 des
 Hautes
 Énergies

n'est
 pas
 seulement
 due
 à
 la
 quantité
 des
 ressources
 nécessaires,
 mais
 aussi
 aux

conditions
 dans
 lesquelles
 ces
 ressources
 sont
 agencées
 et
 dans
 lesquelles
 le

logiciel
 est
 développé
 et
 maintenu.
 Des
 nos
 jours,
 une
 expérience
 de
 Physique

des
 Hautes
 Énergies
 est
 constituée
 par
 une
 vaste
 collaboration
 internationale

comptant
  des
  milliers
  de
  physiciens,
  ingénieurs
  et
  techniciens
  provenant
  de

centaines
 d'instituts
 dans
 des
 dizaines
 de
 pays
 différents.
 Ces
 chercheurs,
 ne
 se

rencontrant
  que
  rarement,
  et
  avec
  peu
  de
  structure
  hiérarchique
  entre
  eux,

travaillent
 indépendamment
 les
 uns
 des
 autres
 avec
 et
 sur
 le
 même
 code
 et
 grâce

à
 une
 structure
 informatique
 unique.
 Les
 exigences
 changent
 très
 fréquemment

et
 les
 problèmes
 à
 résoudre
 repoussent
 souvent
 les
 limites
 de
 la
 connaissance

scientifique,
 à
 la
 fois
 en
 physique,
 mais
 aussi
 en
 informatique.
 On
 peut
 dire
 que
 la

recherche
  scientifique
  en
  physique
  fondamentale
  est
  limitée
  non
  pas
  par
  la

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Traitement
 des
 données
 de
 l’expérience
 ALICE

créativité
 de
 ses
 chercheurs,
 mais
 par
 l'état
 de
 l'art
 actuel
 de
 l'ingénierie
 et
 de

l'informatique.

Il
 est
 ainsi
 fréquent
 que
 les
 physiciens
 soient
 à
 l'origine
 de
 développements

importants
  dans
  le
  domaine
  de
  l'informatique.
  Parmi
  les
  exemples
  notables,

citons
 l'invention
 du
 Toile
 au
 CERN
 et,
 plus
 récemment,
 le
 développement
 et
 le

déploiement,
 pilotés
 par
 le
 CERN,
 de
 la
 Grille
 de
 calcul
 pour
 le
 stockage
 et
 le

traitement
  des
  données
  collectées
  par
  les
  expériences
  du
  LHC.
  Bien

qu’actuellement
 la
 Grille
 soit
 encore
 en
 plein
 essor,
 l'attention
 de
 l’informatique

pour
 la
 Physique
 des
 Hautes
 Énergies
 se
 déplace
 déjà
 vers
 le
 calcul
 «
 de
 nuage
 »

(en
 anglais
 Cloud
 Computing),
 le
 calcul
 massivement
 parallèle
 et
 la
 virtualisation,

pour
 anticiper
 les
 nouvelles
 technologiques
 à
 venir.

Bien
 que
 ces
 développements
 se
 popularisent
 à
 l’extérieur
 du
 domaine
 de
 la

Physique
 des
 Hautes
 Énergies,
 et
 qu’ils
 aient
 bénéficié
 d’une
 certaine
 exposition

médiatique
  à
  l’intérieur
  des
  expériences
  de
  physique,
  la
  reconnaissance
  du

métier
  de
  «
 physicien
  programmeur
 »
  comme
  une
  des
  «
 professions
  de
  la

physique
 »
 est
 loin
 d’être
 acquise.
 Les
 physiciens
 programmeurs
 eux-­‐mêmes
 ne

se
  considèrent
  la
  plupart
  du
  temps
  que
  comme
  des
  physiciens
  qui
  «
 par

nécessité
 »
 et
 «
 temporairement
 »
 se
 consacrent
 à
 l’informatique,
 même
 si
 ce

temporaire
 peut
 parfois
 durer
 le
 temps
 d’une
 carrière.

Une
 des
 conséquences
 de
 cet
 état
 d’esprit
 a
 été
 que
 plusieurs
 techniques
 et

concepts
 de
 calcul,
 développés
 et
 appliqués
 dans
 le
 cadre
 de
 la
 Physique
 des

Hautes
 Énergies,
 ont
 eu
 du
 succès
 seulement
 après
 avoir
 été
 «
 réinventés
 »
 et

développés
 indépendamment,
 souvent
 des
 années
 plus
 tard.
 Pour
 n’en
 citer
 que

deux
  exemples,
  la
  distribution
  libre
  du
  logiciel
  source
  ou
  les
  techniques
  de

développement
  «
 agiles
 »
  ont
  été
  utilisées
  pendant
  plusieurs
  années
  dans
  la

Physique
  des
  Hautes
  Énergies,
  mais
  n’ont
  été
  reconnues
  comme
  des
  entités

conceptuelles
 importantes
 qu’après
 avoir
 été
 «
 conceptualisées
 »
 dans
 d’autres

environnements.

Tout
 comme
 les
 détecteurs,
 les
 systèmes
 informatiques
 pour
 la
 Physique
 des

Hautes
 Énergies
 sont
 des
 réalisations
 uniques,
 souvent
 à
 la
 pointe,
 voire
 au-­‐delà,

de
 l’état
 de
 l’art
 de
 la
 technologie.
 L’expérience
 nous
 a
 montré
 que
 pour
 réaliser

ces
 systèmes,
 il
 est
 nécessaire
 de
 créer
 un
 métier
 associant
 une
 formation
 de

physicien
  à
  des
  connaissances
  approfondies
  d’ingénieur
  informatique,
  sans

oublier
  des
  compétences
  de
  gestionnaire
  de
  projet.
  Effectivement,
  seule
  une

compréhension
  détaillée
  des
  objectifs
  et
  des
  méthodes
  utilisées
  par
  les

physiciens
 dans
 leur
 travail
 permet
 de
 comprendre
 leurs
 besoins,
 à
 la
 fois
 en

termes
 de
 fonctionnalité
 mais
 aussi
 d’évolution
 de
 l’outil
 informatique
 et
 de

communication.

Cela
 ne
 signifie
 pas
 que
 les
 ingénieurs
 informatiques
 n’aient
 pas
 leur
 place
 dans

les
  développements
  des
  systèmes
  de
  calcul
  pour
  la
  Physique
  des
  Hautes

Énergies,
 mais
 la
 participation
 des
 physiciens
 au
 développement
 de
 leur
 outil

informatique,
 notamment
 dans
 le
 rôle
 de
 planification
 et
 de
 direction
 du
 projet

de
 calcul,
 reste
 fondamentale.

La
 principale
 raison
 qui
 a
 motivé
 l’écriture
 de
 thèse
 relève
 de
 la
 volonté
 de

présenter
  de
  façon
  détaillée
  le
  système
  informatique
  d’une
  expérience
  de

Physique
 des
 Hautes
 Énergies
 actuelle,
 non
 seulement
 par
 ses
 résultats,
 mais
 en

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