LHC@home

LHC@home ist das Volunteer-Computing-Projekt des CERN für Aufgaben aus Beschleuniger- und Teilchenphysik. Es startete 2004, als der Large Hadron Collider noch im Bau war. Die ursprüngliche Idee war, viele Computer außerhalb des CERN für Simulationen zu nutzen, die bei der Planung und später beim Betrieb des Beschleunigers gebraucht werden.

Der Name kann leicht in die Irre führen. LHC@home lässt keine Teilchen am heimischen Rechner kollidieren und ersetzt nicht die Rechenzentren, die die Daten der großen LHC-Experimente verarbeiten. Es stellt zusätzliche Rechenzeit für bestimmte Simulationsaufgaben bereit. Welche Aufgabe gerade verteilt wird, hängt von den Anwendungen ab, die das Projektteam und die beteiligten Forschungsgruppen zur Verfügung stellen.

SixTrack und die Stabilität der Strahlen

Der historische Kern von LHC@home ist SixTrack. Das Programm simuliert die Bewegung geladener Teilchen durch den Beschleunigerring. In einem realen LHC-Strahl kreisen sehr viele Protonenpakete mit hoher Energie durch eine Anlage von 27 Kilometern Umfang. Schon kleine Abweichungen in Magnetfeldern, Bauteilen oder Teilchenbahnen können für die langfristige Stabilität relevant sein.

SixTrack folgt deshalb vereinfachten Teilchen über sehr viele Umläufe und untersucht, unter welchen Bedingungen ihre Bahnen stabil bleiben. Die einzelnen Berechnungen lassen sich gut aufteilen: Verschiedene Anfangsbedingungen, Maschinenparameter oder Szenarien können unabhängig simuliert werden. Freiwillige Rechner bearbeiten solche Varianten, während die Forschenden die Ergebnisse später zusammenführen.

Nach Angaben des CERN waren SixTrack-Rechnungen an der Auslegung stabiler LHC-Strahlbedingungen beteiligt. Die Anwendung wird weiterhin für Studien zur nächsten Ausbaustufe, dem High-Luminosity LHC, eingesetzt. In der aktuellen Anwendungsübersicht erscheint neben SixTrack auch XTrack als Testanwendung für die Weiterentwicklung dieser Arbeit.

Warum Virtualisierung wichtig wurde

Beschleunigersimulationen wie SixTrack lassen sich als vergleichsweise kompakte Programme für mehrere Betriebssysteme bereitstellen. Die Software der großen LHC-Experimente ist deutlich komplexer. Sie benötigt umfangreiche, regelmäßig aktualisierte Linux-Umgebungen und viele fachliche Bibliotheken. Eine klassische Portierung auf jede Kombination aus Betriebssystem und Hardware wäre kaum praktikabel.

LHC@home setzte deshalb auf Virtualisierung. Für einige Aufgaben läuft die wissenschaftliche Anwendung in einer bereitgestellten virtuellen Umgebung; inzwischen sind auch containerisierte Varianten vorhanden. Dadurch können Freiwillige mit unterschiedlichen Systemen Rechenaufgaben bearbeiten, ohne dass jede Anwendung vollständig für jedes Heim-Betriebssystem angepasst werden muss.

Diese Technik eröffnete weitere Projektbereiche. Test4Theory nutzte ab 2011 virtuelle Maschinen für theoretische Monte-Carlo-Simulationen hochenergetischer Kollisionen. Später kamen Anwendungen für LHC-Experimente wie ATLAS und CMS hinzu. Die aktuelle LHC@home-Plattform weist Aufgaben für CMS-Simulationen, Theorie-Simulationen und ATLAS-Simulationen aus; einige können zusätzliche Software wie VirtualBox voraussetzen.

Was die Rechenjobs beitragen

Simulationen sind ein fester Bestandteil der Teilchenphysik. Sie helfen dabei, Maschinenparameter zu testen, erwartete Teilchenspuren zu modellieren oder verschiedene theoretische Annahmen durchzurechnen. Ihre Qualität hängt von den zugrunde liegenden Modellen, Eingabedaten und Prüfverfahren ab. Ein sehr großer Pool von Rechenzeit macht die Berechnungen schneller oder breiter, entscheidet aber nicht allein darüber, ob ein Modell die Natur korrekt beschreibt.

LHC@home zeigt damit eine andere Verwendung von BOINC als SETI@home oder Einstein@Home. Statt in Beobachtungsdaten nach einem unbekannten Himmelsobjekt zu suchen, wird hier vor allem die Physik des Beschleunigers und seiner Experimente simuliert. Die freiwilligen Computer sind Teil einer Recheninfrastruktur, deren Ergebnisse in Design-, Test- und Analysearbeit am CERN einfließen.

Die Plattform ist weiterhin aktiv, doch die konkrete Mischung der Anwendungen kann sich ändern. Für eine Teilnahme gelten deshalb die aktuellen Hinweise des Projekts zu verfügbarer Software, Ressourcenverbrauch und Systemvoraussetzungen.