'Monte Carlo Event Generators' Okulundan İzlenimler

Her yazıya 'uzun zamandan sonra' başlangıcı yapmak yerine doğrudan konuya girsem daha iyi olacak gibi; geçen yıl Boğaziçi Fizik'te doktoraya başlamamla birlikte çalıştığım konular ve ilgilendiğim problemler de biraz farklılaştı. Astrofizik ve parçacık fiziğinin kesişimi olan 'parçacık astrofiziği'nden astro kısmını tamamen atarak sadece parçacık fiziği kısmıyla yola devam etme kararı aldım; böylece CERN'de LHC (Large Hadron Collider) deneyine ve analizimde de tamamen LHC fiziğine yönelmiş oldum. Bu vesileyle de geçen hafta İtalya'da katıldığım bir okuldan söz açmak ve biraz parçacık fiziği konuşmak istedim.

Parçacık hızlandırıcılarda atom altı parçacıkların temel işleyişini incelerken öncelikle uzun yıllar boyunca geliştirilmiş teorik modellerden ve onların öngörülerinden yararlanırız. Standart Model olarak bildiğimiz ve detayları hemen hemen 80'lere gelindiğinde büyük ölçüde tamamlanmış olan, tahminleri LHC dahil tüm parçacık fiziği deneylerinde doğrulanan bir model bize belirli bir enerjide örneğin iki protonu 'kafa kafaya' çarpıştırdığımızda ne tip etkileşimlerin nasıl parçacıklar ortaya çıkaracağını detaylıca tarif eder. Ortaya çıkan bu parçacıkların elimizdeki dedektörler üzerinde nasıl izler bırakacağı bilgisini de dedektörlerimizi geliştirme sürecinde elde ederiz. Kısacası elimizdeki ilgilendiğimiz problemin mekanizmalarını tarif eden bir teori ve deneyi yaptığımızda elde edeceğimiz ölçümlere dair pratik modeller bulunuyor. Sonrasında deneyi gerçekleştirip dedektörlerimizle ölçümler alıyor ve büyük ölçekli bir veri elde ediyoruz. Bu noktada peşinde olduğumuz iki türlü soru söz konusu olabilir:

• Standart modelin öngördüğü bir sinyalin (örneğin bir parçacığın var olup olmadığı, özelliklerine ilişkin bir parametre-kütle, yük vb.) varlığını göstermek isteyebiliriz.

• Standart modele uymayan, teoride bir sapmaya ya da geliştirmeye işaret edecek yeni bir sinyali keşfetmeye çalışıyor olabiliriz.

Her halükarda elde edeceğimiz veriyi, teori ve modellerimize göre 'beklentimizle' karşılaştırıp bir keşif yapabilmek için parçacık fiziğinde benzetim (simülasyon) verileri kullanırız. Bu benzetim verilerinin hepsi temelde bilgisayarlarla rastgele (gibi görünen) sayılar kullanılarak üretildiğinden, kullanılan yöntemlere Monte Carlo'daki kumarhanelerden esinlenerek verilmiş Monte Carlo benzetimleri adı veriliyor. [Monte Carlo yöntemleri konusunda geçmişte yazdığım genel bir yazı için tıklayınız.]

Solda Monte Carlo yöntemlerine ismini veren ünlü kumarhane, sağda da zarlar üzerine parçacık fiziğindeki temel etkileşimlerin Feynman diyagramları olarak bilinen halleriyle resmedildiği görsel

Bu yöntemler size, elinizde özellikleri ve birbiriyle nasıl etkileştiklerini bildiğiniz parçacıkları istediğiniz enerjide çarpıştırdığınızda ortaya ne tip ve sayıca ne kadar parçacığın çıkacağını, bunların her birinin özelliklerini hesaplayıp size çıktı olarak veriyor. Bunun için parçacık fiziğinde özelleşmiş birçok Monte Carlo Olay Üreticisi (Monte Carlo Event Generator) bulunuyor ve her biri bu konu üzerinde yıllardır uğraşan büyük gruplar tarafından kodlanıp/geliştirilip araştırmacıların kullanımına sunuluyor. Yüksek enerjilerde parçacık etkileşimlerini günümüzde en detaylı haliyle ifade etmek için kullandığımız Kuantum Kromodinamiği (Quantum Chromo Dynamics -QCD)'nin tüm incelikli detaylarının hayat bulduğu bu olay üreticileri, karmaşıklıkları nedeniyle herkes tarafından adeta bir 'sanat ürünü' olarak kabul ediliyor.

Pythia, Sherpa ve Herwig adlarıyla bilinen genel-amaçlı olay üreticilerinden, sadece olasılıklarla ilişkili kesit (cross-section) hesabı için özelleşmiş CalcHEP, CompHEP gibi programlara kadar birçok MC üreticisi bulunmakta. Bu yıl 12.'si düzenlenen ve benim de katılma fırsatı bulduğum, MCnet adlı büyük bir Avrupa Birliği projesinin eğitim ağının bir parçacısı olan Floransa, İtalya'daki okul da, bu MC üreticilerinin geliştiricilerini ve uzmanlarını bir araya getirip bu programlar üzerine çalışan ya da araştırmalarında bu programları araç olarak kullanan doktora öğrencilerine yönelik detaylı derslerden oluşuyor. Altmış kişilik dünyanın her köşesinden özellikle LHC deneylerinde çalışan doktora öğrencileri olarak bir hafta boyunca sabahtan teorik dersler, öğleden sonra da bilgisayarda uygulamalarla dolu bir hafta geçirdik. Temel düzeyden QCD'nin 'kara büyü' niteliğinde grift detaylarına kadar her düzeyde dersler vardı ve uygulamalarda da gruplar halinde seçtiğimiz bir MC üretici üzerinde çalışıp son gün elde ettiğimiz sonuçları kısa bir sunumla paylaştık. Her günün sonunda haftanın başında oluşturulan ve MC üreticisi geliştiricilerinden birinin önderliğinde biralar eşliğinde gerçekleştirilen informal 'tartışma oturumları' okulun en faydalı kısımlarındandı.

Okula ev sahipliği yapan Avuturalya kökenli fakat Prato, İtalya'da bir eğitim kampüsü bulunan Monash Üniversitesi'nin etkileyici bir mimariye sahip binasındaydık

Bu vesileyle Roma ve Floransa'yı da gezip görme fırsatım oldu; mevcut Euro/TL kuruyla kendimi epey kısıtlamak durumunda kalsam da iki şehrin mimarilerinden, sanatla dolu müzelerine kısa sürede deneyimleyebildiğim kadarıyla benim için fazlasıyla etkileyici bir deneyim oldu.

Neyse ki Kolezyum manzarası önünden bir selfie çektirebilmek kurdan etkilenen bir şey değil...

Okuldan edindiğim bilgiler ve deneyim eşliğinde de yakın zamanda başlayacağımız bir proje için iyi bir altyapı edinmek konusunda bir adım daha atmış oldum. İlerleyen zamanlarda projeden ve gelişmelerden burada da bahsetmeyi planlıyorum. GökGünce'nin yanında teknik fizik/matematik yazılarımın yer aldığı 'Aslında Fizik' blogu ve çalışmalarına başladığım ve yakın zamanda içerik oluşturmaya başlayacağım 'bilimsel hesaplama ve programlama' üzerine blogumla (yapım aşamasında!) tekrar 'blogsphere'e dönmeyi umuyorum. Bu yazı da bu amacın ilk adımı olsun diyelim. İleri okumalar ve araştırma için:

• Ders sunumlarına okulun Indico sayfasından erişebilirsiniz. (Eski okulların içerik ve derslerini görmek ve MCnet hakkında detaylı bilgi için: MCnet)

• MC üreticilerini genel olarak incelendiği 'review' makale için: General-purpose event generators for LHC physics (arXiv bağlantısı)

• MC üreticilerini anlamanın en güzel yolu kendinizin basit bir tane geliştirmesi. Temel hesaplamaların ve kodların yer aldığı güzel bir tutorial: How to write your own Monte Carlo event generator (makale, sunum ve kodların yer aldığı site)

• Monte Carlo yöntemlerinin temelleri konusunda geömişte 'Aslında Fizik' blogunda yazdığım bir yazı ve kodlar için: Monty Hall problemi ve Monte Carlo çözümü

• 2017'de İTÜ Fizik Haftası'nda Monte Carlo yöntemleri hakkında verdiğim genel sunumun slaytlarına Github'dan ulaşabilirsiniz.