На факультете компьютерных наук прошел международный мастер-класс ЦЕРН

Проанализировать данные, полученные учеными на Большом адронном коллайдере, и пообщаться с зарубежными исследователями смогли три десятка школьников из Москвы и Подмосковья на мастер-классе, который организовали для них факультет компьютерных наук ВШЭ, Яндекс и ЦЕРН.

Через Вышку — в ЦЕРН

Школьные мастер-классы с ЦЕРН проводятся во многих странах мира уже несколько лет. В 2017 году к проекту благодаря факультету компьютерных наук НИУ ВШЭ и СПБГУ присоединились и российские школьники.

Организаторами этого мероприятия в Вышке стали старшие научные сотрудники Научно-учебной лаборатории методов анализа больших данных (LAMBDA) Денис Деркач и Федор Ратников. Основное направление работы этой лаборатории — применение современных методов анализа данных в физике высоких энергий. Ее сотрудники ведут проекты и в других предметных областях, например, занимаются применением технологий машинного обучения в нейронауках.

«Мастер-класс ЦЕРН для школьников — это отличный формат, который позволяет абитуриентам, интересующимся наукой и технологиями, сделать в будущем осознанный выбор специализации и профессии, — говорит декан факультета компьютерных наук Иван Аржанцев. — Начиная с XX века наука во многом живет крупными проектами, которые исторически были связаны с физикой. На мастер-классе ребятам рассказали о встрече двух больших проектов — эксперименте, проводимом в ЦЕРН, и современном анализе данных. Последний проект не локализован на конкретном ускорителе, он развивается во множестве научных центров и IT-компаний, но именно этот проект в последние годы существенно влияет на жизнь каждого из нас».

Денис Деркач до прихода на факультет компьютерных наук работал в ЦЕРН на должности научного сотрудника, Федор Ратников участвует в экспериментах ЦЕРН уже более 12 лет. Так что школьники могли узнать обо всем, что связано с Большим адронным коллайдером, из первых рук. «Наша лаборатория ведет несколько совместных проектов с университетами-участниками ЦЕРН, — поясняет Денис Деркач. — С нами работают университеты Рима, Кембриджа, Массачусетский технологический институт и многие другие. Задачи, которые мы решаем, требуют глубокого знания как физики частиц, так и методов анализа больших данных. Решения, которые были предложены в нашей лаборатории, уже работают для онлайн-отбора интересных событий в экспериментах Большого адронного коллайдера. Сейчас мы работаем над автоматизацией систем мониторинга и оценки качества данных. Основой этого проекта является использование методик, разработанных аспирантами нашей лаборатории».

Почему нужно работать с большими данными

Программа школьного дня ЦЕРН включала лекции о физических исследованиях, проводимых на Большом адронном коллайдере, современном состоянии анализа данных в научных исследованиях, лабораторную работу с данными коллайдера, а также телемост со школьниками из других стран (Италии, Франции и Бразилии) и с исследователями ЦЕРН Франческой Дордеи и Эдуардо Родригезом.

По словам организаторов мероприятия, они не ставили перед собой задачи производить серьезный отбор школьников, основной критерий участия — интерес, ведь «именно он двигает науку и технологию». «С точки зрения подготовки, рассказ старшим школьникам требует тщательной проработки материала, — говорит Денис Деркач. — Дело в том, что молодежь, которая приходит на подобные мероприятия, уже достаточно подготовлена и задает глубокие и интересные вопросы. При этом не стоит забывать, что всего за несколько часов необходимо, пусть поверхностно, покрыть несколько семестров курса физического факультета».

В Вышку приехали ученики нескольких лицеев из Москвы и Подмосковья, причем со своими учителями. «Сюда пришли ребята из нашего инженерного класса, они очень увлеченные, два месяца занимались в одном из центров физического факультета МГУ, и когда узнали о том, что НИУ ВШЭ организует такое событие, захотели на него попасть, —  рассказала Жанна Чопорова, преподаватель физики в московском лицее №1575. — Я сама была на Большом адронном коллайдере, знаю, насколько важна проблема обработки большого массива данных, и сегодня ребята смогли многое об этом узнать. Причем умение работать с большими данными им пригодится в любом случае — и как ученым-физикам, и если они решат уйти в бизнес или финансовый сектор».

«Во время лабораторной мы работали на компьютере со специальной программой — смотрели, как регистрируются частицы, и по их «полету» пытались определить время их жизни, — рассказал Владимир Шеин из того же лицея. — Мы работали с реальными данными, и это был очень интересный опыт, который будет полезен, даже если в дальнейшем мы выберем какую-то другую область исследований».

О важности ошибок и открытий

Лабораторная работа, о которой говорили школьники, состояла из двух частей. В первой каждому было предложено визуально проанализировать 30 реальных событий (записанных результатов столкновения протона с протоном на коллайдере) и найти содержащиеся там продукты распада D^0 мезонов. О том, что такое D^0 мезон, ребятам рассказывали во время вступительных лекций. Во второй части школьники измеряли время жизни D^0 мезонов. Всем школьникам были предложены одинаковые наборы данных, в которых они, впрочем, могли сделать специальные отборы, чтобы уменьшить фоновый вклад и увеличить значимость сигнала. Из аппроксимации распределения по временам распада каждый получил итоговый результат о времени жизни. Подобное измерение, проведённое на эксперименте LHCb в 2011 году, позволило улучшить наше понимание первых секунд развития Вселенной и отсутствия анти-материи в окружающем нас мире.

Результаты первой части работы всех школьников (российских и из трех других стран) были сведены вместе, что дало возможность получить хороший, статистически обеспеченный сигнал для D^0 мезона. «Эта часть должна дать школьникам понимание, что, объединив усилия многих участников из разных стран, можно добиться существенного улучшения получаемого физического результата, а это — квинтэссенция любой международной научной коллаборации, — считает Федор Ратников.

Вторая часть продемонстрировала школьникам, что из одинаковых данных можно вывести различные результаты, которые будут внутренне непротиворечивы, но будут обладать различной точностью в зависимости от выбранной процедуры обработки. Таким образом получение результата — это не механическая процедура, а процесс интенсивной интеллектуальной деятельности, проб, ошибок, открытий».

Само участие в этом мастер-классе позволило некоторым школьникам по-другому взглянуть на то, как проводятся физические исследования и какие возможности перед ними открываются.

«Съездить сюда на лекции и последующую лабораторную работу нам предложила наша учительница по физике, причем занятно, что она сделала это во время нашей собственной лабораторной работы, — рассказала Лидия Иджилова, ученица лицея №5 (Долгопрудный). — Узнав о программе дня, мы еще больше им заинтересовались. Я пока отдельно не занимаюсь астрофизикой, но меня привлекает исследование космических лучей и частиц, и лабораторная работа была как раз на изучение мезонов. Интересно было не только самим проанализировать данные, но и посмотреть, как ребята в других странах справились с такой же задачей и сопоставить результаты. И еще мы смогли лучше понять, какую роль компьютерные науки могут играть в физических исследованиях».

«Мы в последнее время приобщаемся к такого рода мероприятиям, и идея поехать в Вышку, чтобы узнать об астрофизике и Большом адронном коллайдере, меня очень привлекла, — отметил, в свою очередь, Дмитрий Кудряшов из Физтех-лицея им. П. Л. Капицы (Долгопрудный). — Хотя я не специализируюсь конкретно в этой области физики, я считаю, что нужно развиваться разносторонне и понимать, что происходит в разных областях науки. По дороге сюда мы с другими ребятами обсуждали, почему мероприятие проводит именно Высшая школа экономики. Но приехав сюда, я узнал, что в Вышке очень большое количество людей занимается не только социальными и гуманитарными науками, но и IT-технологиями, в том числе применительно к физике. Теперь я стал рассматривать ВШЭ как один из вузов, в которые могу поступить».