CMS Open Data Visualization with FireworksWeb

Au cœur de la physique des particules, là où les scientifiques font s'entrechoquer des atomes pour comprendre les briques fondamentales de l'univers, il existe un outil essentiel pour donner un sens au chaos : l'affichage d'événements (event display). Lorsque des particules entrent en collision à l'intérieur d'une machine massive comme le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), elles créent une projection éphémère de nouvelles particules qui s'envolent dans toutes les directions. Ces particules laissent derrière elles des traces dans les couches des détecteurs, un peu comme des empreintes dans la neige. Pour étudier ces collisions, les physiciens doivent voir ces empreintes d'un seul coup, en trois dimensions, afin de comprendre comment les particules se sont déplacées et ont interagi. Pendant des décennies, cela a été réalisé à l'aide de logiciels spécialisés qui devaient être installés sur un ordinateur puissant, exigeant de l'utilisateur qu'il soit un expert formé rien que pour ouvrir le fichier. Cette barrière a maintenu les données réelles de ces expériences changeant le monde hors de portée des étudiants, des enseignants et du public curieux, qui pourraient autrement apprendre de la preuve réelle de la manière dont l'univers fonctionne.

Une équipe de chercheurs a maintenant brisé ce mur en transformant ce logiciel complexe et lourd en une simple page web. Ils ont pris l'outil standard utilisé par les physiciens professionnels de l'expérience CMS et l'ont reconstruit pour qu'il fonctionne entièrement à l'intérieur d'un navigateur web moderne. Ce nouveau système, appelé FireworksWeb, permet à n'importe qui, disposant d'une connexion Internet, de consulter de réelles données de collision provenant du Grand Collisionneur de Hadrons sans installer de programmes et sans avoir de formation en physique. Le système fonctionne en gardant le traitement mathématique lourd sur un serveur puissant au CERN, qui envoie ensuite une image légère et interactive à l'ordinateur de l'utilisateur. L'utilisateur peut faire pivoter la vue, zoomer sur des particules spécifiques et filtrer ce qu'il voit, tandis que le serveur effectue le travail difficile de calcul des trajectoires des particules à travers les champs magnétiques. Ce changement signifie que les riches données tridimensionnelles de la physique des hautes énergies sont désormais aussi accessibles qu'un site web, ouvrant la porte à l'éducation et à l'engagement du public d'une manière qui était auparavant impossible.

Le voyage pour en arriver là a commencé il y a plus de quinze ans, lorsque le logiciel original était un programme de bureau qui nécessitait un matériel informatique spécifique et des installations complexes. À mesure que la technologie évoluait, particulièrement avec l'essor des navigateurs web et le besoin de collaboration à distance, l'ancien système est devenu difficile à maintenir et à partager. Les chercheurs ont réalisé que pour partager les données ouvertes du CMS (CMS Open Data) — une vaste collection d'événements de collision réels mis à la disposition du public — ils avaient besoin d'une nouvelle approche. Ils ont reconstruit le système de fond en comble, créant une version où le serveur gère la physique et le navigateur gère l'affichage. Cette architecture permet au système de fonctionner sur n'importe quel appareil doté d'un navigateur moderne, d'un ordinateur portable à une tablette, supprimant ainsi totalement le besoin d'installation de logiciel local. Le résultat est un outil suffisamment robuste pour une utilisation professionnelle dans la salle de contrôle de l'expérience CMS, où il est actuellement utilisé pour surveiller les données en direct, tout en étant assez simple pour qu'un étudiant puisse l'utiliser en un seul clic.

À l'intérieur de cet affichage basé sur le web, la visualisation est conçue pour être à la fois précise pour les experts et claire pour les débutants. Le système peut montrer des millions de détails infimes, tels que les prismes hexagonaux qui composent le calorimètre à haute granularité (High-Granularity Calorimeter), un composant du détecteur qui mesure l'énergie des particules. Pour rendre cette masse de données de manière fluide, le logiciel utilise un moteur de rendu spécialisé qui regroupe les formes identiques, permettant au navigateur de gérer plus d'un million de pièces individuelles sans ralentissement. Les utilisateurs peuvent basculer entre différentes vues, incluant des perspectives standard de profil ou de dessus, ainsi que des vues spécialisées qui compressent les bords extérieurs du détecteur pour faire tenir l'ensemble de la machine dans un seul cadre. Cet effet « œil de poisson » (fish-eye) permet à un observateur de voir simultanément le cœur de la collision et les couches extérieures du détecteur, offrant une image complète de la structure de l'événement.

Au-delà de la simple observation des données, le système comprend des outils puissants pour les explorer. Les utilisateurs peuvent filtrer l'affichage pour ne montrer que des types spécifiques de particules, comme les muons ou les jets, ou masquer certaines couches du détecteur pour voir ce qui se trouve en dessous. Le système mémorise également les paramètres de l'utilisateur, de sorte qu'une vue spécifique puisse être sauvegardée et partagée via un simple lien. Lorsqu'une personne clique sur ce lien, elle voit exactement la même perspective, avec les mêmes filtres et le même angle de caméra, permettant une collaboration et un enseignement faciles. Cette capacité est particulièrement importante pour le projet Open Data, où l'objectif est de permettre à n'importe qui, n'importe où, d'explorer les mêmes ensembles de données. Le système se connecte directement aux serveurs de stockage du CERN, diffusant les données à la demande afin que les utilisateurs n'aient pas besoin de télécharger de gros fichiers sur leurs propres ordinateurs.

Les chercheurs ont également franchi une étape significative vers la création d'un outil universel. Ils ont développé une nouvelle façon de décrire les données qui ne dépend pas des formats spécifiques et complexes utilisés par l'expérience CMS. En convertissant les données en un format neutre et compact, le même affichage peut désormais montrer les résultats de différents types d'expériences ou de jeux de données simplifiés utilisés pour l'éducation. Cela signifie qu'un groupe étudiant un type spécifique de désintégration de particules peut créer son propre jeu de données, le convertir dans ce nouveau format, et le visualiser immédiatement dans le navigateur sans avoir besoin d'installer la suite logicielle complète du CMS. Cette flexibilité transforme l'affichage d'événements en une fenêtre universelle sur la physique des particules, capable de montrer des données provenant de diverses sources via une interface unique et cohérente.

À l'avenir, l'équipe prévoit d'étendre davantage ces capacités alors que le Grand Collisionneur de Hadrons entre dans sa prochaine phase d'exploitation, connue sous le nom de LHC à haute luminosité (High-Luminosity LHC). Cette phase future produira encore plus de données, nécessitant des outils capables de gérer une complexité et un volume accrus. Le travail actuel pose les bases de l'intégration d'outils d'analyse plus avancés directement dans le navigateur, permettant aux utilisateurs d'exporter leurs propres vues personnalisées et d'interagir avec les données de manière plus profonde. L'objectif ultime est de créer un environnement fluide où la frontière entre la recherche professionnelle et l'exploration publique disparaît, permettant à n'importe qui de se tenir dans la salle de contrôle de l'un des instruments scientifiques les plus sophistiqués au monde et de voir l'univers en action.