藉由介紹自己的工作角色與研究內容，為高中生說明基礎科學研究的現況。並期許藉由跨界的合作，無論在業界或是研究工作上發揮所長。 By introduce the personal role in the fundamental research, the talk hopes to let high school students know about the international collaboration and to bring the cooperation between different domains.

1. 基礎科學研究基礎科學研究
連結跨領域的未來連結跨領域的未來
Yuan CHAO ( 趙元 )
(National Taiwan University, Taipei, Taiwan)
EDC 專長探索系列
2020/07/24

2. 我是誰？
趙元
Yuan CHAO (John)
YChao
...

3. 研究員
高能物理
LHC/CMS 實驗組成員

4. 研究員 ?

5. 理論學家 實驗學家
競合
提出假設、建立模型、從實驗結
果中找出規律
驗證理論模型、從實驗結果中找
到新發現
https://en.wikipedia.org/wiki/The_Thinker
https://www.flickr.com/photos/smithsonian/6891732793

6. 理論學家 實驗學家
應用學家 / 工程師
競合
協助實驗，製作研究設備根據原理做出應用、
建立產品

7. PS.PS. 其實在實驗控制室，並不是都穿白袍的其實在實驗控制室，並不是都穿白袍的 ......

8. 高能物理 ?

9. General Physics
9
宇宙的起源宇宙的起源

10. 10
太初大霹靂太初大霹靂

11. General Physics
11
高能天文物理學高能天文物理學

12. General Physics
12
基本粒子基本粒子
在自然界，穩定存在的粒子：
– 電子 ( β 粒子 ) 1897 by Joseph John Thomson
– 質子 1917 by Emest Rutherford
– 中子 1932 by James Chadwick
不穩定存在的「次級粒子」由宇宙射線中發現
– 最早實驗由 Victor Hess in 1912-1913 ( 熱氣球 )
– 絕緣的驗電瓶逐漸放電
– 隨實驗所在高度越高，放電越快
來自於外太空的
「一級粒子」與
大氣層反應產生
加速器發明之前，
粒子物理的重要工具

13. General Physics
13
宇宙射線宇宙射線
人們認為看到的是「基本粒子」

14. 14
標準模型標準模型 Standard ModelStandard Model
~10-18
m宇宙的尺度 http://htwins.net/scale2/~10-1
m
膠子 光子 W/Z 子 重力子
強作用力 電磁力 弱作用力 重力
夸
克
輕
子
奈米 =10-9
m
Higgs

15. General Physics
15
帶電粒子帶電粒子
雲霧室照片可以看到帶電粒子通過的軌跡
磁場
⊗
鉛板

16. General Physics
16
Yuan CHAO
正子正子
雲霧室 / 泡箱照片可以看到帶電粒子通過的軌跡
– 正子是電子的反粒子 by Carl D. Anderson 1932
磁場
⊗
鉛板
曲率半徑小
動量小 23MeV
曲率半徑大
動量大 63MeV

17. 17
尚未解的問題尚未解的問題 The QuestionsThe Questions
LHC was built for the following
purposes:
質量的來源
To find the origin of mass...
the Higgs boson.
暗物質與暗能量
Looking for the unification..
Super-symmetry as well as
other candidates of Dark Mater
& Dark energy
宇宙對稱性與反物質的消失
Investigate the mystery of
anti-matter disappearance
宇宙初期狀態
Physics at the early stage of the
universe: Heavy Ion Collisions
and Quark-Gluon Plasma
Courtesy of Center for European Nuclear Research (CERN), Geneva,
Switzerland.

18. 對稱性

19. → 守恆律

20. 32
對稱性與味物理對稱性與味物理
古今中外，人們相信自然界是對稱的。 E = mc2
Parity violation introduced by T.D. Lee ( 李政道 ) and C.N.
Yang ( 楊振寧 ) in 1956.
–- 宇稱不守恆
Parity violation seen in a 貝他衰變 by C.S. Wu ( 吳健雄 )
in 1957. Nobel prize for Lee & Yang.
電荷宇稱不守恆 discovered in Kaon system in 1964.
M. Kobayashi and T. Maskawa introduced CP violation in
the Standard Model in 1973.
–- 電荷・宇稱不守恆
Sanda and Carter pointed out the possibility of CP
violation in the B meson system in 1980.

21. 吳建雄女士在 1956 年完
成的實驗，促成了李正道
與楊正寧得到 1957 年的
諾貝爾物理學獎。
http://de.wikipedia.org/wiki/Wu-Experiment
低溫、強磁場

22. 34
對稱性與味物理對稱性與味物理
KTeV experiment at FNAL established the direct CP
violation in Kaon system and confirmed by NA48 at
CERN in 1999.
Belle and BaBar observed indirect CP violation B meson
system in 2002.
Belle observed the direct CP violation in B → ππ but not
confirmed by BaBar in 2004
Belle and BaBar present the evidence of direct CP
violation in B → Kππ in 2004.
M. Kobayashi ( 小林誠 ) and T. Maskawa ( 益川敏英 )
share the Nobel Prize in 2008
with Y. Nambu ( 南部陽一郎 ).
CP violation can't fully explain
the Baryon asymmetry problem.
→ Searching for New Physics

23. LHC 加速器

24. 質子加速的軌跡
The path of the protons
– CERN Overview
animation
http://cds.cern.ch/record/2020780
http://www.youtube.com/watch?v=pQhbhpU9Wrg
http://amara.org/zh-tw/videos/ngrZNFAWTli2/info/
lhc-animation-the-path-of-the-protons/

25. 全球 LHC 計算網格
Worldwide LHC
Computing Grid (WLCG)
如何分析處理數據？
https://cdsweb.cern.ch/record/1541893
https://www.youtube.com/watch?v=jDC3-QSiLB4

26. 歐洲粒子物理研究機構
CERN
的地理位置

27. 瑞士
日內瓦近郊
跨越瑞法邊境

28. LHCLHC
WWWWWW 的出生地的出生地 !!!!!!
SERN

29. LHCLHC
CERN Ski ClubCERN Ski Club

30. LHC 周長 27 KM
位於地下
50~150 公尺

31. 質子經逐級加速
接近光速高能對撞
四個對撞點進行實驗
通用型
Atlas, CMS
特定目的
Alice, LHCb
我參加的實驗http://cms.web.cern.ch/org/cms-public
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B7%

32. 對撞生成的粒子
會穿過偵測器
留下軌跡或能量
的電子訊號

33. 質子團每秒通過
四千萬次 (40MHz)
平均每次有 15 個對撞

34. 真正有意義的對撞約
只有百萬分之一

35. 高速硬體邏輯電路
先篩選出萬分之一事例

36. 特殊極高速網路傳送至
「線上」叢集電腦

37. 軟體粗篩出
百分之一事例
可隨時最佳化

38. 各實驗篩選出
的資料
集中傳送至
零級資料中心
儲存
實驗期間
7 x 24 不間斷

39. 第零級資料中心位於 CERN 及布達佩斯

40. 將實驗事例重建 磁帶長期保存

41. 資料分散保存在 13 個一級資料中心

42. 二級資料中心提供實驗學家模擬與分析數據
( 前 ) 亞洲唯一
一級資料中心
中研院網格中心

43. "A computational grid is a hardware and software
infrastructure that provides dependable, consistent,
pervasive, and inexpensive access to high-end
computational capabilities."
... by Carl Kesselman and Ian Foster in 1998
取用軟硬體計算資源的基礎建設

44. "The sharing that we are concerned with is not primarily file
exchange but rather direct access to computers, software, data and
other resources, as is required by a range of collaborative problem-
solving and resource-brokering strategies emerging in industry,
science, and engineering. This sharing is, necessarily, highly
controlled, with resource providers and consumers defining clearly
and carefully just what is shared, who is allowed to share, and the
conditions under which sharing occurs. A set of individuals and/or
institutions defined by such sharing rules form what we call a
virtual organization"
... "The Anatomy of the Grid" in 2000
共享運算資源的虛擬研究機構

45. ~ 1 MByte / event x 40 MHz 碰撞
Capable Trigger Rate → ~ 300 KHz
Level-1 reduction → ~ 300 Hz
→ ~ 300 MByte / s RAW data x 2.x
→ ~ 10 – 15 PByte / year

46. ~ 1 MByte / event x 40 MHz 碰撞
Capable Trigger Rate → ~ 300 KHz
Level-1 reduction → ~ 300 Hz
→ ~ 300 MByte / s RAW data x 2.x
→ ~ 10 – 15 PByte / year
每年壹萬伍千顆 1TB 硬碟
Needs 15K 1TB HDD per year

47. 跨領域研究
自動化數據擷取
大數據分析

48. 傳統類比資料
~1980
↓
數位信號處理

49. 機器學習
早就是在高能物
理界廣泛使用的
People in Tevatron, B-factories,
LEP and LHC experiments
more or less use MVA in their
studies!
(LL, LD → BDT, NN, .. → DL?)
Supervised learning → MC vs. Data

50. 以機器取代重複性人工
是未來的趨勢

51. 靈活穿梭實驗室的科學家，可能不是人類，而是 AI 機器人。
https://technews.tw/2020/07/13/a-mobile-robotic-chemist/

52. 跨界合作激發新的想法

53. 尋找希格斯粒子
Atlas Higgs ML
Challenge
https://www.kaggle.com/c/higgs-boson
$13,000 & 876 teams

54. 淺嚐味物理
Search for
charged lepton
flavour violation
https://www.kaggle.com/c/flavours-of-physics
Search for new physics on lepton-flavour violation
$15,000 & 673 teams

55. 機器學習粒子追跡
TrackML Challenge
https://www.kaggle.com/c/trackml-particle
-identification
To develop new machine-learning solutions for the
next generation of particle detectors
$25,000 & Nvidia v100 GPU and more...

56. Feb. 28, 2020 NTUHEP 25+
77
Yuan CHAO
頂夸克的稀有衰變過程頂夸克的稀有衰變過程
謝耳頓與佩妮正討論著我的研究題目！
From Physicist TV @ FB
http://bigbangtheory.wikia.com/wiki/User_blog:Sheldon_Cooper_PhD/Pilot

57. 意外的收穫

58. 網際網路是為了物理學家資訊交流而開發的
https://home.cern/science/computing/birth-web

59. 正子攝影術源自於四十多年前的一個嘗試 ...
https://home.cern/news/news/knowledge-sharing/forty-years-first-pet-image-cern

60. 新的偵測器技術技轉大幅提昇電腦斷層的能力
https://mikeshouts.com/mars-bioimaging-color-ct-scan/

61. 未來的出路

62. 就業
學術研究
科技製造業
資料科學家 大數據分析
數值模擬
量子運算
網格 / 雲端
人工智慧
(AI)...
機器學習

63. 84
總結總結
選你所愛，愛你所選
至少學會一種程式語言
就讀的科系，不見得是與你就業直接相關
擴大自己的涉獵，做個 π 型人
念大學是學習自我判斷事物的能力，取得自我學習其他
技能的方法
不要自我侷限，善用自己的領域專長 (domain know-
how)

64. 85
相關網址相關網址
LHC computing grid (LCG) and CERN overview video:
https://cds.cern.ch/record/2020780
質子加速的過程 video:
http://cds.cern.ch/record/2020780
http://www.youtube.com/watch?v=pQhbhpU9Wrg
http://amara.org/zh-tw/videos/ngrZNFAWTli2/info/lhc-animation-the-
path-of-the-protons/
"Higgs ML" Kaggle Challenge
https://www.kaggle.com/c/higgs-boson
“Flavour of physics” Kaggle Challenge
https://www.kaggle.com/c/flavours-of-physics
Higgs 粒子的發現解說 :
https://amara.org/en/videos/aeJ3WvOO1Wsg/info/the
-higgs-discovery-explained-ep-13-cern/
宇宙的尺度 http://htwins.net/scale2/
CMS 開放數據教學 jupyter NB:
https://github.com/cms-opendata-education

65. “Rules… Some of them can be bent, others are to
be broken” – Morpheus
https://artistotleonline.wordpress.com/category/climax/

66. 以上
Thank YOU!
謝謝
Remercie de Votre
Attention