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# Grupo de estudos dos Dados Abertos do Experimento ALICE
**ALICE: A Large Ion Collider Experiment, um experimento de física de partículas do Large Hadron Collider, CERN**
![ALICE_PbPb_Capa_wiki](uploads/99c8688f7b5938f82645c965eb47b541/ALICE_PbPb_Capa_wiki.png)
*Fonte: http://aliceinfo.cern.ch/Public/ev411_run244918.png*
## Descrição do Projeto
O projeto visa à familiarização e divulgação das técnicas de análise de dados do experimento ALICE, um dos detectores do LHC, desenvolvido com o objetivo de estudar uma fase da matéria denominada _quark gluon plasma_. Todo ano, o LHC realiza séries de colisões entre pacotes de núcleos de átomos de chumbo (Pb), que são pesados o suficiente para liberar os quarks contidos dentro de seus prótons e nêutrons e criar novas partículas, ao se chocarem. O detector ALICE recolhe informação de tais colisões, como partes das trajetórias de certas partículas, sua posição inicial e carga. O projeto em questão busca construir conhecimento acerca da forma como são interpretados e utilizados os dados, sendo um dos principais objetivos a elaboração de um sistema de visualização 3D das colisões chumbo-chumbo que serve, sobretudo, para fins didáticos e de aprendizagem.
## Principais Características
* Este grupo de estudos utilizará os dados do Experimento ALICE disponíveis no [CERN Open Data Portal](http://opendata.cern.ch/search?page=1&size=20&experiment=ALICE)
* Os eventos estudados englobam princípios da Física de Partículas Elementares e da Teoria da Relatividade Especial.
## Atividades Preliminares
Para fins de familiarização com os conteúdos necessários para o entendimento do projeto, são relevantes os arquivos e links disponíveis abaixo.
* Introdução ao Plasma de Quarks e Glúons
* [Vídeo do canal Fermilab](https://www.youtube.com/watch?v=Rk9KZLaVItI)
* Introdução ao Detector ALICE
* [The ALICE experiment at the CERN LHC, Journal of Instrumentation, V. 3, N,r 08, p. S08002 (2008)](https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/3/08/S08002)
* [Introdução_ao_Detector_ALICE_-_Pezzi__Dez_2017_.pdf](uploads/2e2c2ee82527799c1882a4d97898a9cb/Introdução_ao_Detector_ALICE_-_Pezzi__Dez_2017_.pdf)
## Histórico
| Data | Evento |
| ------ | ------ |
| 31/07/19 | [Apresentação do projeto e seus objetivos](http://cta.if.ufrgs.br/boards/120/topics/1860) |
| 01/08/19 | Definição da estrutura da [Wiki](http://cta.if.ufrgs.br/projects/analise-de-dados-abertos-de-alice-cern/wiki) e [Tarefas](http://cta.if.ufrgs.br/projects/analise-de-dados-abertos-de-alice-cern/issues) |
| 14/08/19 | Criação de [exemplo que processa os arquivos AliESDs.root no aliroot](https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example) |
| 16/08/19 | [Encontro do Grupo](http://cta.if.ufrgs.br/boards/120/topics/1867#Pauta) |
| 02/09/19 | Atualização do [código exemplo](https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example/blob/Breno/AliAnalysisTaskMyTask.cxx) para inserir coordenadas dos vértices das trilhas |
| 07/09/2019 | Implementação de [programa em C](https://git.cta.if.ufrgs.br/Bresim/ALICE-files/blob/master/sol-analitica-tpc.c) para gerar a evolução das posições das partículas no tempo |
| 13/09/2019 | [Apresentação de slides](uploads/c43a2b905d747bbca631258b2d595452/Slides-programa.odp) que explica a estrutura do [programa em C](https://git.cta.if.ufrgs.br/Bresim/ALICE-files/blob/master/sol-analitica-tpc.c) |
| 30/09/2019 | Criado repositório [Breno](https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example/tree/Breno) que diferencia modelo padrão do [código exemplo](https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example/blob/Breno/AliAnalysisTaskMyTask.cxx) do modelo gerado para utilização do [programa em C](https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example/blob/Breno/sol-analitica/sol-analitica-tpc.c) para gerar a evolução das posições das partículas no tempo |
| 01/10/2019 | [Apresentação de slides](uploads/5340bd9aeb7705573b953c52289995cf/ALICE.odp) que resume o progresso do projeto até o momento, para apresentação na Reunião Geral do CTA |
| 02/10/2019 | [2º Encontro do Grupo](http://cta.if.ufrgs.br/boards/120/topics/1895) |
| 11/10/2019 | Adicionado no [repositório](https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example/tree/Breno) o [programa em C](https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example/blob/Breno/sol-analitica/sol-analitica-tpc.c) para gerar a evolução das posições das partículas no tempo, agora considerando efeitos relativísticos. |
## Tarefas
Abaixo, são descritas as tarefas propostas para o decorrer do projeto, que serão atualizadas na medida em que for obtido maior grau de precisão de seus objetivos. O progresso das mesmas, bem como a tarefa atual, está disponível na seção [Tarefas](http://cta.if.ufrgs.br/projects/analise-de-dados-abertos-de-alice-cern/issues).
**Tarefa 0**: Organizar a documentação do projeto.
* [Manual do CTA](http://cta.if.ufrgs.br/projects/suporte-cta/wiki/Manual_do_CTA)
* [Gerenciamento de projetos do CTA - 08 de Julho de 2016](http://cta.if.ufrgs.br/attachments/download/2753/Gerenciamento_de_projetos_do_CTA_08_Julho_2016.odp)
Esta Wiki é feita a partir do [Modelo de Documentação Padrão](http://cta.if.ufrgs.br/projects/suporte-cta/wiki/Modelo_de_Documenta%C3%A7%C3%A3o_Padr%C3%A3o) do CTA. O registro dos progressos serão feitos nas [Tarefas](http://cta.if.ufrgs.br/projects/analise-de-dados-abertos-de-alice-cern/issues), enquanto os sumários dos encontros do grupo estarão nos [Fóruns](http://cta.if.ufrgs.br/projects/analise-de-dados-abertos-de-alice-cern/boards).
**Tarefa**: Familiarização com as ferramentas de análise de dados. Listar opções e documentar procedimentos de uso. Enquanto as ferramentas necessárias para uso dos dados abertos estão descritas no [CERN Open Data Portal](http://opendata.cern.ch/search?page=1&size=20&experiment=ALICE), pode ser utilizado o Aliroot oficial de análise de dados da colaboração ALICE - cujos links são os dois primeiros abaixo -, apesar de talvez nem tudo estar acessível publicamente.
* [Off-line environment](http://alice-offline.web.cern.ch/)
* [Getting started with analysis in ALICE](http://alice-analysis.web.cern.ch/)
* [Getting started with ALICE software](http://opendata.cern.ch/docs/alice-getting-started#data)
* [ALICE Analysis Framework](http://alice-offline.web.cern.ch/Activities/Analysis/AnalysisFramework/index.html)
* [Meet a TTree - Container para dados de HEP](https://root.cern.ch/meet-ttree)
* [Analysis Object Data (AOD)](http://alice-offline.web.cern.ch/Activities/Analysis/aod.html)
* [Visualization](http://alice-offline.web.cern.ch/Activities/Visualisation/index.html)
* Raw-data Display and Visual Reconstruction Validation in ALICE - Matevˇz Tadel
* [Artigo](https://indico.cern.ch/event/3580/contributions/1768402/attachments/712551/978194/alieve.pdf)
* [Apresentação](https://indico.cern.ch/event/3580/contributions/1768402/attachments/712550/978192/tadel-chep07-alieve.pdf)
**Tarefa**: Geração de gráficos, tabelas e estatísticas dos dados. Primeiramente, visa-se executar exemplos com um evento isolado, para depois generalizar os resultados para uma infinidade de eventos. Cada choque de pacotes de núcleos atômicos constitui um evento.
* Distribuição de multiplicidade de partículas dos eventos, distribuição de p_t (momento relativístico transversal) e posições dos vértices.
* Caracterização das trilhas: tipo de partícula e variáveis cinemáticas.
**Tarefa**: Criação das trilhas no Blender.
* Exemplos (alguns são simulações)
* Ver último minuto de [Preparing for heavy ion collisions](https://www.youtube.com/watch?v=KJWtFyZEXdo)
* Quark gluon plasma (QGP) @ RHIC
* [Quark Gluon Plasma (QGP) Video 1](https://www.youtube.com/watch?v=c5rZVw0UnYg)
* [Quark Gluon Plasma (QGP) Video 2](https://www.youtube.com/watch?v=SXm1rSX2h5g)
* [CERN-MOVIE-2010](https://www.youtube.com/watch?v=CbhYxHSSqFE)
* [Heavy Ion Collision Event Animation (ATLAS)](https://www.youtube.com/watch?v=k64s4Ho-8-I)
* [ALICE Animations](http://aliceinfo.cern.ch/public/MasterCL/MasterClassSupportMaterials.html)
**Desafio da primeira fase do Grupo de Estudos**: A partir dos conhecimentos adquiridos com as etapas anteriores, criar visualizações 3D dos dados obtidos pelo detector ALICE. As visualizações serão utilizadas em atividades de divulgação científica.
## Documentação
A análise de dados provenientes das colisões de partículas do detector ALICE pode ser feita por meio de duas principais abordagens: através de uma plataforma de **máquina virtual**, já previamente configurada com uma interface que torna a análise intuitiva e mais direta, ou através de um software de análise de dados, chamado **Aliroot**, que com o auxílio de programas na linguagem C++, obtém a informação diretamente dos arquivos disponíveis. Ao passo que a máquina virtual torna os processos mais simplificados, a abordagem do software proporciona maior capacidade de familiarização com o quadro geral do armazenamento de dados e sua obtenção, portanto o projeto dedica-se especialmente a este último método. De qualquer maneira, estão documentadas aqui características de ambas as abordagens.
### Abordagem do software Aliroot
Conhecida como [ALICE Off-line Project](http://alice-offline.web.cern.ch/), por não precisar de conexão à internet durante a análise dos dados, consiste essencialmente no download de arquivos do tipo ESD - Event Summary Data - com extensão *.root*, diretamente do portal de dados abertos do CERN, e em seguida na execução de programas específicos para coletar e fazer reconstruções e simulações com os dados desejados. Cada arquivo contém informações a respeito de uma série de eventos, sendo cada evento definido como uma colisão de pacotes de partículas (que podem se tratar de colisões próton-próton ou chumbo-chumbo). Como mostra a imagem abaixo, a [reconstrução](http://alice-offline.web.cern.ch/Activities/Reconstruction/index.html) do evento é feita com a ajuda de uma simulação prévia:
![Reconstruction-Framework](uploads/a0eda11c9aa4b08d7ad1fba3cdeaec75/Reconstruction-Framework.gif)
*Fonte: http://alice-offline.web.cern.ch/Activities/Reconstruction/index.html*
O próprio CERN disponibiliza páginas que introduzem a [análise no ALICE](http://alice-analysis.web.cern.ch/) e também a [plataforma de análise ALICE](http://alice-offline.web.cern.ch/Activities/Analysis/AnalysisFramework/index.html). Foi desenvolvida, também, de maneira extraoficial, uma [abordagem alternativa](https://github.com/cbourjau/alice-rs) utilizando a linguagem de programação Rust.
O grupo de pesquisa instalou o software Aliroot seguindo as instruções disponíveis no repositório [AliESD_Example](https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example/tree/master) do GitLab do CTA. É recomendável clonar o repositório (usando o comando `git clone https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example.git`) em um diretório de nome *alice*, onde também deve ser instalado o Aliroot. O último passo no arquivo *README*, referente à instrução de instalação, pede para executar o macro `runAnalysis.C`, que se trata de um código exemplo, na linguagem C++, que realiza uma análise sobre um determinado arquivo ESD, que deve ser baixado diretamente do CERN Open Data Portal. Para teste, recomenda-se os arquivos da amostra [Pb-Pb data sample at the collision energy of 2.76 TeV per nucleon pair from run number 139038](http://opendata.cern.ch/record/1102). Tais arquivos ESD devem ser colocados no diretório clonado do repositório do Git, de nome *AliESD_Example*, e devem ser referenciados no macro `runAnalysis.C` na linha
`chain->Add("AliESDs.root");`
em que `"AliESDs.root"` é o arquivo ESD. Podem ser adicionados outros arquivos ESD; basta repetir o comando e acrescentar outros arquivos à cadeia.
O código que determina o tipo de análise que será feita, no entanto, está no arquivo `AliAnalysisTaskMyTask.cxx`. Este faz um loop nas trilhas das partículas resultantes da colisão entre íons e escreve arquivos com informações relevantes para a caracterização das mesmas, como o [momento](https://courses.lumenlearning.com/physics/chapter/28-5-relativistic-momentum/) nas três dimensões espaciais e a carga. A função que deve ser editada para alterar os dados extraídos é a função `UserExec`, da classe `AliAnalysisTaskMyTask`.
Para uma melhor referência dos dados que podem ser obtidos no arquivo ESD, pode-se usar as estruturas chamadas [*TTree*](https://root.cern.ch/meet-ttree), espécie de plataforma desenvolvida pelo CERN para armazenar informações de experimentos com altas energias. Basta acessar o Aliroot e, em seguida, abrir o *TBrowser*, no qual podem ser reconhecidos os membros de arquivos do tipo *.root*, conforme abaixo:
`aliroot`
`new TBrowser`
Isso abrirá uma janela de navegação; deve ser selecionado algum arquivo ESD, como ilustra a imagem.
![TBrowser_print](uploads/76c46864cdf3f641fbb95ae44dc38458/TBrowser_print.png)
Mais informações a respeito das funções criadas para obter os dados dos arquivos ESD podem ser encontradas nas [bibliotecas do GitHub do Aliroot](https://github.com/alisw/AliRoot/tree/master/STEER/ESD). As principais bibliotecas utilizadas foram:
* [AliESDEvent.h](https://github.com/alisw/AliRoot/blob/master/STEER/ESD/AliESDEvent.h)
* [AliESDVertex.h](https://github.com/alisw/AliRoot/blob/master/STEER/ESD/AliESDVertex.h)
* [AliESDtrack.h](https://github.com/alisw/AliRoot/blob/master/STEER/ESD/AliESDtrack.h)
* [AliExternalTrackParam.h](https://github.com/alisw/AliRoot/blob/master/STEER/STEERBase/AliExternalTrackParam.h) (porém essa não se encontra no mesmo endereço que as outras)
Podem ser úteis, também, os seguintes itens:
* [Slides do *ALICE Offline tutorial*](https://www.slideserve.com/aislin/alice-offline-tutorial) (Slide 30 mostra uso de PID - Particle Identification)
* [Dicas do uso do Aliroot](https://wiki.gsi.de/foswiki/bin/view/Personalpages/AliRootTips)
* Códigos relevantes:
* [Código fonte da classe que cria as trilhas ESD](https://github.com/alisw/AliRoot/blob/master/STEER/ESD/AliESDtrack.cxx)
* [Exemplo com visualização de trilha a partir de um arquivo ESD](https://root.cern.ch/doc/master/alice__esd_8C.html)
* [Exemplo para análise de classes ESD](https://github.com/alisw/AliRoot/blob/master/STEER/macros/AliESDanalysis.C)
* Unidades de medida utilizadas na Física de Partículas:
* [Basic Units and Introduction to Natural Units](http://www.phys.ufl.edu/~avery/course/4390/f2015/lectures/natural_units.pdf)
* [Particle Physics Units](http://hypernews.slac.stanford.edu/slacsite/aux/HiPPP/common-terms/units.html)
### Abordagem utilizando máquina virtual
É o método indicado pelo CERN para análise dos dados abertos disponíveis no portal.
* [Instruções de configuração da máquina virtual](http://opendata.cern.ch/docs/alice-getting-started#data)
* [Artigo que descreve o ambiente da máquina virtual](https://www.researchgate.net/publication/288040555_Open_access_for_ALICE_analysis_based_on_virtualization_technology)
## Próximos Passos
Investigar a reconstrução analítica das trilhas, através da informação resultante dos clusters do TPC (Time Projection Chamber) e, em seguida, incorporá-las ao [exemplo de análise](https://git.cta.if.ufrgs.br/ALICE-open-data/AliESD_Example/tree/Breno). Para isso, deve-se procurar nas [bibliotecas do GitHub do Aliroot](https://github.com/alisw/AliRoot/tree/master/STEER/ESD) as funções desejadas.
Busca-se também aperfeiçoar o [programa em C](https://git.cta.if.ufrgs.br/Bresim/ALICE-files/blob/master/sol-analitica-tpc.c) que fornece a evolução das posições das partículas de um evento no tempo, conforme disponível nas [Tarefas](http://cta.if.ufrgs.br/issues/665), para incluir efeitos relativísticos e campo magnético variável. Acessar [A fast introduction to the tracking and to the Kalman filter](https://www2.pv.infn.it/~rotondi/kalman_1.pdf). Buscamos, também, construir histogramas com as informações a respeito dos tipos de partícula que representa cada trilha da colisão, utilizando as [instruções do CERN](https://root.cern.ch/root/htmldoc/guides/users-guide/Histograms.html) ou códigos em R ou Python.
## Glossário
Aqui são descritos termos importantes para o assunto da pesquisa.
A partir de [ALICE Offline Reconstruction](http://alice-offline.web.cern.ch/Activities/Reconstruction/index.html):
* Dígito: Sinal digitalizado obtido por uma placa sensível de um detector em um dado instante de tempo.
* *Cluster*: Conjunto de dígitos adjacentes (no espaço e/ou tempo) que foram presumivelmente gerados pela mesma partícula atravessando o elemento sensível de um detector.
* Ponto do espaço reconstruído: Estimativa da posição onde uma partícula atravessou o elemento sensível de um detector (frequentemente, isso é feito calculando o centro de gravidade do *cluster*).
* Trilha reconstruída: Conjunto de cinco parâmetros (como a curvatura e os ângulos com respeito aos eixos coordenados) da trajetória da partícula junto com a matriz de covariância estimada em um dado ponto do espaço.
## Estudos complementares
* Particle Tracking
* [Slide presentation: Introduction to Charged Particles Tracking](http://www.physics.iitm.ac.in/~sercehep2013/track2_Gagan_Mohanty.pdf)
* [Pattern Recognition and Event Reconstruction in Particle Physics Experiments [pdf]](https://arxiv.org/pdf/physics/0402039.pdf)
* [Event reconstruction and particle identification in the ALICE experiment at the LHC [pdf]](https://www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2014/07/epjconf_icfp2012_00029.pdf)
* Particle Identification
* [Particle Identification by Christian Lippmann](http://arxiv.org/abs/1101.3276)
* Quarkonia Production
* [Heavy quarkonium: progress, puzzles, and opportunities (2011)](https://arxiv.org/abs/1010.5827v3)
* [Heavy quarkonia and Quark-Gluon Plasma: what did we learn and what are we learning?. E. Scomparin (2014)](http://alice-analysis.web.cern.ch/sites/alice-analysis.web.cern.ch/files/documents/Analysis/Enrico_Junior.pdf)
* [ALICE MasterClasses](http://aliceinfo.cern.ch/public/MasterCL/MasterClassWebpage.html)
* Theory of Special Relativity
* [University of Sussex](https://web.stanford.edu/~oas/SI/SRGR/notes/srHarris.pdf)
* [Macquarie University](http://physics.mq.edu.au/~jcresser/Phys378/LectureNotes/SpecialRelativityNotes.pdf)
* C++ Material
* [Learn C++](https://www.learncpp.com/)
* [Codecademy C++](https://www.codecademy.com/learn/learn-c-plus-plus)
* Git tutorials
* [ALICE Git tutorial](https://dberzano.github.io/alice/git/)
* [GitHub basic workflow](http://alisw.github.io/git-tutorial/)
* [Codecademy: Learn Git](http://codecademy.com/courses/learn-git/)
* [Pro Git Book](https://git-scm.com/book/en/v2)
* [Basic Git Commands](https://confluence.atlassian.com/bitbucketserver/basic-git-commands-776639767.html)
* Python
* [Codecademy: Learn Python](https://www.codecademy.com/learn/learn-python)
* R
* [Codecademy: Learn R](https://www.codecademy.com/learn/learn-r)
## Contatos
* Mantenedor do projeto: [Rafael Pezzi](https://git.cta.if.ufrgs.br/pezzi)
* Gerente do projeto: [Breno Lemos](http://git.cta.if.ufrgs.br/Bresim)
* Outros contribuidores: [Lucas Schnorr](https://git.cta.if.ufrgs.br/schnorr), [Pedro Widniczck](https://git.cta.if.ufrgs.br/pedrow7)
## Referências
* [Performance of the ALICE Experiment](https://arxiv.org/abs/1402.4476v4)
* [A fast introduction to the tracking and to the Kalman filter](https://www2.pv.infn.it/~rotondi/kalman_1.pdf)
* [ALICE Technical Design Report of the Time Projection Chamber](https://edms.cern.ch/ui/file/398930/1/ALICE-DOC-2003-011.pdf)
* [The ALICE TPC](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900210008910)

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