CMS Open Data Visualization with FireworksWeb

In het hart van de deeltjesfysica, waar wetenschappers atomen op elkaar laten botsen om de fundamentele bouwstenen van het universum te begrijpen, bestaat een cruciaal hulpmiddel om de chaos te duiden: de event display (gebeurtenisweergave). Wanneer deeltjes botsen binnen een enorme machine zoals de Large Hadron Collider, creëren ze een vluchtige spray van nieuwe deeltjes die in alle richtingen wegvliegen. Deze deeltjes laten sporen achter in lagen van detectoren, vergelijkbaar met voetsporen in de sneeuw. Om deze botsingen te bestuderen, moeten natuurkundigen deze voetsporen in één oogopslag in drie dimensies kunnen zien, om te begrijpen hoe de deeltjes bewogen en interactie hadden. Decennialang is dit gedaan met gespecialiseerde software die op een krachtige computer geïnstalleerd moet worden, waarbij de gebruiker een getrainde expert moet zijn om het bestand zelfs maar te kunnen openen. Deze barrière heeft de werkelijke data van deze wereldveranderende experimenten afgeschermd van studenten, leraren en nieuwsgierige burgers, die anders hadden kunnen leren van het echte bewijs van hoe het universum werkt.

Een team van onderzoekers heeft nu die muur afgebroken door deze complexe, zware software om te vormen tot een eenvoudige webpagina. Ze hebben het standaard hulpmiddel dat door professionele natuurkundigen bij het CMS-experiment wordt gebruikt, herbouwd zodat het volledig binnen een moderne webbrowser kan draaien. Dit nieuwe systeem, genaamd FireworksWeb, stelt iedereen met een internetverbinding in staat om naar echte botsingsdata van de Large Hadron Collider te kijken zonder programma's te installeren of een achtergrond in de natuurkunde te hebben. Het systeem werkt door de zware mathematische verwerking op een krachtige server bij CERN te houden, die vervolgens een lichtgewicht, interactieve afbeelding naar de computer van de gebruiker stuurt. De gebruiker kan het zicht draaien, inzoomen op specifieke deeltjes en filteren wat hij ziet, terwijl de server het zware werk doet van het berekenen van de paden van de deeltjes door magnetische velden. Deze verschuiving betekent dat de rijke, driedimensionale data van hoogenergetische fysica nu even toegankelijk is als een website, wat de deur opent voor educatie en publieke betrokkenheid op een manier die voorheen onmogelijk was.

De reis naar dit punt begon meer dan vijftien jaar geleden, toen de oorspronkelijke software een desktopprogramma was dat specifieke computerhardware en complexe installaties vereiste. Naarmate de technologie veranderde, met name met de opkomst van webbrowsers en de behoefte aan remote samenwerking, werd het oude systeem moeilijk te onderhouden en te delen. De onderzoekers realiseerden zich dat ze, om de CMS Open Data te delen — een enorme collectie echte botsingsgebeurtenissen die beschikbaar is gesteld aan het publiek — een nieuwe aanpak nodig hadden. Ze hebben het systeem vanaf de grond opgebouwd en een versie gecreëerd waarbij de server de fysica afhandelt en de browser de weergave verzorgt. Deze architectuur zorgt ervoor dat het systeem op elk apparaat met een moderne browser kan draaien, van een laptop tot een tablet, waardoor de noodzaak voor lokale software-installatie volledig wordt weggenomen. Het resultaat is een tool die robuust genoeg is voor professioneel gebruik in de controlekamer van het CMS-experiment, waar het momenteel wordt gebruikt om live data te monitoren, maar ook eenvoudig genoeg is voor een student om met één klik te gebruiken.

Binnen deze webgebaseerde display is de visualisatie ontworpen om zowel nauwkeurig voor experts als helder voor beginners te zijn. Het systeem kan miljoenen kleine details tonen, zoals de hexagonale prisma's die de High-Granularity Calorimeter vormen, een detectorcomponent die de energie van deeltjes meet. Om deze enorme hoeveelheid data vloeiend weer te geven, gebruikt de software een gespecialiseerde rendering engine die identieke vormen groepeert, waardoor de browser meer dan een miljoen individuele stukjes kan verwerken zonder te vertragen. Gebers kunnen wisselen tussen verschillende weergaven, waaronder standaard zijwaartse en bovenaanzichten, evenals gespecialiseerde weergaven die de buitenste randen van de detector comprimeren om de hele machine in één enkel kader te passen. Dit "fish-eye"-effect stelt een kijker in staat om de binnenkern van de botsing en de buitenste lagen van de detector tegelijkertijd te zien, wat een compleet beeld geeft van de structuur van de gebeurtenis.

Naast alleen naar de data kijken, bevat het systeem krachtige instrumenten om deze te verkennen. Gebruikers kunnen de weergave filteren om alleen specifieke typen deeltjes te tonen, zoals muon of jets, of bepaalde lagen van de detector te verbergen om te zien wat eronder ligt. Het systeem onthoudt ook de instellingen van de gebruiker, zodat een specifiek gezichtspunt kan worden opgeslagen en gedeeld via een eenvoudige link. Wanneer iemand op die link klikt, ziet hij exact hetzelfde perspectief, met dezelfde filters en camerahoek, wat eenvoudige samenwerking en onderwijs mogelijk maakt. Deze capaciteit is bijzonder belangrijk voor het Open Data-project, waar het doel is om iedereen, overal, dezelfde datasets te laten verkennen. Het systeem maakt direct verbinding met de opslagservers van CERN, waardoor data on demand wordt gestreamd zodat gebruikers geen enorme bestanden naar hun eigen computers hoeven te downloaden.

De onderzoekers hebben ook een belangrijke stap gezet richting het universeel maken van deze tool. Ze hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de data te beschrijven die niet afhankelijk is van de specifieke, complexe formaten die door het CMS-experiment worden gebruikt. Door de data om te zetten in een compact, neutraal formaat, kan dezelfde display nu resultaten van verschillende soorten experimenten of van vereenvoudigde datasets die voor onderwijs worden gebruikt, weergeven. Dit betekent dat een groep die een specifiek type deeltjesverval bestudeert, zijn eigen dataset kan maken, deze naar dit nieuwe formaat kan converteren en deze onmiddellijk in de browser kan bekijken zonder de volledige CMS-softwaresuite te hoeven installeren. Deze flexibiliteit maakt de event display tot een universeel venster voor de deeltjesfysica, in staat om data van diverse bronnen te tonen via één enkele, consistente interface.

Kijkend naar de toekomst, plant het team deze mogelijkheden verder uit te breiden naarmate de Large Hadron Collider overgaat naar zijn volgende fase van operationele werking, bekend als de High-Luminosity LHC. Deze toekomstige fase zal nog meer data produceren, wat instrumenten vereist die de toegenomen complexiteit en volume kunnen aan. Het huidige werk legt de basis voor het integreren van meer geavanceerde analyse-instrumenten direct in de browser, waardoor gebruikers hun eigen aangepaste weergaven kunnen exporteren en op een diepere manier met de data kunnen interageren. Het uiteindelijke doel is om een naadloze omgeving te creëren waar de grens tussen professioneel onderzoek en publieke exploratie verdwijnt, waardoor iedereen in de controlekamer van een van de meest geavanceerde wetenschappelijke instrumenten ter wereld kan staan en het universum in actie kan zien.