Hiukkasfysiikan avointa dataa opetuskäytössä

Transkriptio

1 Hiukkasfysiikan avointa dataa opetuskäytössä TkT Tapio Lampén Fysiikan tutkimuslaitos HIP (sisältää materiaalia Sanni Suoniemen pro gradu -tutkimuksesta)

2 Sisältö: CERNin ja CMS-kokeen esittely Avoin data hiukkasfysiikassa ja tästä tehty kyselytutkimus opettajille Case: Masterclass-tapahtuma

3 CERN LHC-kiihdytin - Large Hadron Collider Methodology Ainutlaatuinen tieteellinen instrumentti Biljoonat protonit (1012) kiertävät 27 km pitkää kehää vastakkaisiin suuntiin, kierrosta sekunnissa, %:lla valonnopeudella

4 Methodology Maaiman suurin suprajohtava ja suprajuokseva järjestelmä Äärimmäisen voimakkaat suprajohtavat magneetit pitävät protonit 27 km:n pituisella radallaan. Magneetit pidetään 1.9 K:n lämpötilassa nestemäisen heliumin avulla, jota on 90 tonnia.

5 Methodology Äärimmäisen tyhjä tila Kiihdytinputken tyhjiö, joka vastaa planeettojen välistä avaruutta.

6 Methodology Protonien törmätessä vastakkain syntyy uusia hiukkasia Kahden protonin törmätessä syntyy äärimmäisen pieneen tilaan äärimmäinen energiatiheys, josta syntyy uusia hiukkaisia

7 Methodology Törmäykset tallennetaan maailman suurimmilla mittalaitteilla Atlas-koeasema CMS-koeasema Sekunnissa 600 miljoonaa protonitörmäystä, jotka mitataan kerrostalon kokoisilla mittalaitteilla, jotka toimivat kuin digitaaliset kamerat.

8 Methodology Ennätysmäisen tietomäärän käsittelyjärjestelmä Tuhannet tietokoneet ympäri maailman on valjastetaan LHC:sta syntyvän mittaustiedon käsittelyyn GRID-laskentaverkon kautta.

9 Methodology Tutkimuksen huikeat tavoitteet: maailmankaikkeuden ymmärtäminen Newtonin ja Einsteinin työn jatkaminen mikä synnyttää massan? Mitä on 96% maailmankaikkeudesta? Pimeää ainetta? Pimeää energiaa? Suosiiko Luonto materiaa... vai onko antimateriaa yhtä paljon? Alkuräjähdyksen kulku... mitä tapahtui ensimmäisinä sekunteina?

10 Fysiikan avoimet kysymykset hiukkasfysiikan Standardimallin täydentäminen gauge x8 Yksi vai useampia??

11 CMS-koe: 3000 henkilön organisaatio tonnia, pituus 30 m, halkaisija 15 m maailman suurin suprajohtava solenoidimagneetti (4 T) koeluolassa 100 m syvyydessä protonit protonit

12 CMS:n koeluola

13 Törmäysdataa opetuskäyttöön

14 CMS-kokeen data julkiseksi CMS päättänyt julkaista syyskuussa 2014 merkittävän määrän vuoden 2010 dataa (27 TB), toistaiseksi julkaistu pieni määrä törmäystapahtumia web-ohjelmistoja näiden hyödyntämiseen ohjelmistoja yksinkertaista analyysiä varten Ensisijaisesti opetustarkoituksiin Tieteellisessä mielessä käyttäjäkunta rajoitettu: useimmat hiukkasfyysikot muutenkin töissä LHC-kokeissa tieteellinen sisältö jo julkaistu hyödyntäminen vaatii merkittävää laskenta- ja muistikapasiteettia Uutuus: tieteellinen avoimuus: paljon dataa analysoitavassa muodossa yhteiskunnallinen vaikuttavuus: suurellakin yleisöllä mahdollisuus rakentaa dataa hyödyntäviä sovelluksia OKM:llä Tutkimuksen tietoaineistot (TTA) -hanke, jossa Fysiikan tutkimuslaitos ja CSC mukana

15 Avoin data ja työkalut Lähtökohtana valmiiksi pureskeltu datatiedosto Työkalut visualisointiin Työkalut jakaumien (histogrammien) tuottamiseen

16 CMS:n avoimen datan projekti Suomessa Sanni Suoniemi (HY) valmistelee pro gradua Avoin hiukkasfysiikan tutkimusdata opetuskäytössä tapaustutkimus Masterclass tapahtumasta kyselytutkimus lukio-opettajille (CERN-verkosto, 61 vastaajaa) 80% vastanneista valmis hyödyntämään opetuksessa usealla eri fysiikan kurssilla ja muutamilla pitkän matematiikan kursseilla tutkimuksen lopputuloksena syntyy didaktinen rekonstruktio avoimen hiukkasfysiikan tutkimusdatan opetuskäytöllisestä hyödyntämisestä jatkosuunnitelmana on kehittää opetussovellus, jolla kokeellinen hiukkasfysiikka tuodaan luokkahuoneeseen

17 Opettajakyselyn tuloksia (61 vastaajaa) Lähde: Avoin hiukkasfysiikan tutkimusdata opetuskäytössä, S. Suoniemi

18 Opettajakyselyn tuloksia (61 vastaajaa) Lähde: Avoin hiukkasfysiikan tutkimusdata opetuskäytössä, S. Suoniemi

19 Opettajakyselyn tuloksia (61 vastaajaa) Lähde: Avoin hiukkasfysiikan tutkimusdata opetuskäytössä, S. Suoniemi

20 Case: Physics Masterclasses Joka vuosi uusi tehtävä, ja 1 kk periodi jolloin osallistuu lukiolaista, 200 instituuttia 40 maasta Eilen: Helsinki, Zagreb, Trieste, Dublin mahdollisuus järjestää omassa koulussa: lyhyt 3h versio (esittely + mittaus) koko päivän versio (lisäksi laboratoriovierailu + videokonf.) laitteistovaatimus: tietokone ja selain / oppilaspari (esim. 12 työparia) hieman perustietoa hiukkasista ja niiden tunnistamisesta

21 Masterclass-mittaus ja videokonferenssi Kumpulassa, 24 lukiolaista eri puolilta Suomea

22 Törmäykset luokitellaan: löytyykö elektroneja / myoneja? Voivatko olla peräisin W/Z-bosoneista tai Higgsin bosonista? Myoni

23 Luokittelut kirjataan Google Docs -taulukkoon

24 Oman ryhmän tulosten katsominen

25 Videokonferenssi: yhdistäminen muiden instituuttien kanssa

26 Kuinka käytän CMS-dataa tai osallistun Masterclassiin? CMS:n avoin data (nyt ja myöhemminkin): cms.cern.ch Education and Outreach CMS Data for the public avaa suoraan visualisointiohjelman selaimeen! myös linkki: CMS Masterclasses Masterclass: lisätietoja yo. linkistä järjestetään 1-2 kertaa vuosittain Helsingin yliopistolla / Fysiikan tutkimuslaitoksella (HIP) myös muualla järjestäminen mahdollista

27 Yhteenveto CMS julkistaa syyskuussa lähinnä opetustarkoitukseen valtaisan määrän dataa (vuodelta 2010) webohjelmistoja ohjelmistoja yksinkertaiseen analyysiin opettajakyselyn osallistuneista opettajista 80% valmis hyödyntämään avointa hiukkasfysiikan dataa opetuksesssa opetussovelluksen kehittäminen suunnitteilla (S. Suoniemi / HY) esimerkkinä innostavasta sovelluksesta: Masterclass työpajassa 10:30-11:15 tutustutaan Masterclass harjoitukseen! Linkkejä: cms.cern.ch Education and Outreach

28