O Núcleo de Computação Científica (NCC) da Unesp, localizado no bairro da Barra Funda, na capital paulista, abriga hoje uma das maiores infraestruturas de armazenamento e processamento de dados científicos da América Latina. Além de viabilizar projetos robustos de pesquisa na Universidade, o NCC abriga o Centro de Pesquisa e Análise de São Paulo (SPRACE), responsável pela participação do Brasil em alguns dos experimentos mais complexos da ciência contemporânea, o Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo.
Este cenário marcado por conexões de ponta, pesquisas na fronteira do conhecimento e desenvolvimento de instrumentação de ponta nem sempre foi assim, e o início dessa trajetória de excelência guarda estreita relação com a inquietação científica do professor Sérgio Ferraz Novaes. Hoje coordenador do SPRACE e professor no Instituto de Física Teórica (IFT), Novaes passou vinte anos se dedicando à área de fenomenologia, campo responsável por validar as teorias elaboradas pelos cientistas em experimentos de altas energias da física de partículas. Após duas décadas dedicadas ao tema, o físico começou a desconfiar de um campo em que tudo parecia funcionar bem demais.
“A ciência só progride quando alguma coisa dá errado, e faz muito tempo que na física de partículas nada dá errado”, comenta Novaes. Na física de partículas “dar errado” significa algum fenômeno fugir das previsões do modelo padrão, teoria que descreve como as estruturas que compõem o universo são formadas a partir da interação entre 17 partículas elementares. O problema é que, até hoje, essa é considerada uma das teorias mais bem sucedidas da física. Novaes, então, apostou que se um erro fosse aparecer, ele não viria da teoria, mas sim dos experimentos realizados para comprová-las. Com isso em mente, o pesquisador iniciou um processo de migração na carreira para se envolver com a física experimental. Esse esforço, mais tarde, viria a culminar na criação do SPRACE e do GridUnesp.
Dos Estados Unidos para a Europa
A entrada do professor do IFT no campo da física experimental de altas energias ocorreu nos anos 2000, durante um pós-doutorado realizado no Fermilab, nos Estados Unidos. À época, o laboratório abrigava um dos mais importantes colisores de partículas do mundo, posição que, anos depois, seria superada pelo próprio LHC, construído no CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear), na Europa. “Como sempre, os aceleradores são superados por outros mais potentes, o que acaba provocando uma migração de cientistas”, diz Novaes. “Por volta de 2003, eu e outros colegas que trabalhávamos no Fermilab nos transferimos para o CERN, que já era, e continua sendo, o que há de mais desenvolvido no campo da física de altas energias experimental no mundo”, lembra.
Foi assim que o grupo – que naquela época era composto por Novaes e outros três discentes – passou a integrar o experimento CMS, um dos principais detectores de partículas da estrutura do LHC e de onde sairia um Nobel pela descoberta do Bóson de Higgs. “Quando você chega, você tem que contribuir com o experimento de alguma forma. Como nós ainda tínhamos pouca experiência na parte da física experimental, resolvemos escolher o processamento de dados como um caminho”, lembra o docente.
Assim, em 2003, Novaes e seus colaboradores começaram a estruturar um sistema robusto de computação, baseado em clusters que seriam responsáveis por processar a imensidão de dados produzidos a partir da colisão de feixes de partículas no CMS. Naquele momento, a Unesp ainda não tinha infraestrutura para abrigar um projeto dessa dimensão. Por conta disso, o primeiro cluster foi instalado na USP, em um espaço cedido pelo Instituto de Física. Ainda assim, era preciso um grande financiamento para viabilizar a compra das máquinas e da infraestrutura necessária, que se concretizou via a aprovação de um projeto temático Fapesp. “Na época foi uma grande ousadia, porque precisei convencer o José Fernando Perez, que era diretor científico da Fapesp, de que nós tínhamos escopo suficiente para tocar o projeto”, lembra Novaes. A aprovação do temático veio e, com ela, mais de R$ 700 mil foram revertidos na compra dos equipamentos. Esse foi o começo de uma parceria entre a Fapesp e o Sprace que se mantém em curso ainda hoje, 23 anos depois.
Implementação dos equipamentos e infraestrutura no Núcleo de Computação Científica da Unesp, em 2005. (Crédito: Sérgio Ferraz Novaes)
Estrutura para grandes pesquisas da Unesp
Novaes lembra que a instalação das máquinas foi feita em apenas três meses. “Com o cluster montado, nós começamos a nos envolver, de fato, nas análises”, lembra Novaes. Porém, após dois anos de operações na USP, o físico começou a ver a necessidade de levar as instalações do SPRACE para sua casa original, a Unesp, e teve a ideia de combinar isso com a instalação de um grid para atender à crescente demanda científica pelo processamento de dados de grandes projetos de pesquisa, uma tendência observada também em instituições internacionais como Harvard, Caltech e Universidade da Califórnia.
Para justificar o investimento em um projeto de infraestrutura desse porte foi realizada uma chamada interna com apoio do professor Marcos Macari, então pró-reitor de pesquisa da Universidade. Na ocasião foram mapeadas demandas de pesquisa em toda a universidade, consolidadas em um documento robusto, “com mais de 150 páginas” que reuniu dezenas de projetos. A proposta, submetida à Finep em 2008, acabou se tornando um marco: foi o único projeto da Unesp aprovado naquele edital e, à época, o maior financiamento de infraestrutura já concedido pela agência, cerca de R$ 4,5 milhões.
Assim começou o processo de instalação e adaptação da infraestrutura do SPRACE no recém-construído prédio do Instituto de Física Teórica da Unesp, na Barra Funda, local onde o centro se encontra até hoje. Novaes lembra que foi necessário ocupar o piso térreo por questões de segurança, já que o peso das máquinas poderia fazer o piso despencar. Além disso, o custo da infraestrutura foi quase tão alto quanto o das próprias máquinas (uma realidade que se tornou padrão em centros de processamento de dados avançados).
Inspirado nos modelos internacionais de computação em grid, o projeto implementou uma rede distribuída de processamento, conectando diferentes unidades e integrando a Unesp a uma infraestrutura global. Sendo o primeiro conceito de “campus grid” da América Latina. Na época, o SPRACE contava com 80 nós de processamento de última geração e com discos de memória com capacidade de 12 terabytes (TB), o equivalente a 12 mil GB. A equipe seguia enxuta: além de Novaes, também integravam o grupo Eduardo de Moraes Gregores, Sérgio Morais Lietti e Pedro Galli Mercadante do IFT, e Rogério Luiz Iope, na época, estudante de pós-graduação da Escola Politécnica, da USP.
Instalações atuais do SPRACE: a sala está equipada com vários servidores de dados utilizados para atender a demanda interna da universidade e, também, a de colaborações internacionais. (Crédito: Eliete Correia Soares)
Colaboração em projetos premiados com o Nobel
A partir daí, o GridUnesp passou a operar em integração direta com a estrutura de grid dos EUA, o Open Science Grid (OSC). Nesse arranjo, o sistema permitia que dados circulassem pelo mundo e fossem processados onde houvesse capacidade disponível, como se todas as máquinas formassem um único computador. O GridUnesp tornou-se a única organização fora dos EUA a participar do OSG.
Foi nesse contexto que a Unesp se envolveu em alguns dos momentos mais emblemáticos da física recente. Dados de pesquisas premiadas com o Nobel, como os estudos de ondas gravitacionais, em 2015, e a descoberta do bóson de Higgs, em 2012, foram processados em São Paulo. Esta última foi de especial importância para Novaes, que dedicou boa parte de sua carreira ao estudo das teorias por trás da famosa partícula. “Eu acompanhei muito de perto a história do bóson de Higgs e o desenvolvimento das teorias. E devo dizer que eu não tinha muita esperança de que essa partícula fosse descoberta. Na realidade essa era uma desconfiança de muitas pessoas”, lembra.
Proposto de forma teórica em 1964, o bóson Higgs seria uma partícula especial, responsável por conferir massa às demais. Sua existência era essencial para a robustez do Modelo Padrão e só foi confirmada em 2012, quase 50 anos após a previsão inicial feita pelo físico britânico Peter Higgs.
Foi durante uma conferência em Melbourne, na Austrália, que a equipe do CMS e do Atlas, um segundo detector do LHC, anunciaram que iriam divulgar a descoberta. Novaes estava lá, do outro lado do mundo, acompanhado de Sandra Padula e Thiago Tomei, que seguem como docentes do IFT e membros do SPRACE ainda hoje. Sem perder tempo, durante a madrugada brasileira, o físico entrou em contato com a equipe do NCC para realizar a transmissão do anúncio ao vivo. O evento contou com estudantes, pesquisadores e jornalistas que já estavam na expectativa da descoberta. “O Higgs era uma buzzword, todo mundo falava disso e soava bem nos ouvidos dos jornalistas, então eles vieram de uma hora para outra”, lembra Novaes.
Thiago Tomei, membro do SPRACE, trabalhando no CERN em 2012. Ao fundo, é possível observar detalhes do detector CMS. (Crédito: Sérgio Ferraz Novaes)
“Presenciar esse momento histórico da descoberta da partícula que eu trabalhei tanto, e que fez parte muito próxima da minha vida científica, principalmente como teórico, foi um prazer fantástico. E ter processado dados que levaram à sua descoberta foi um prazer”, afirma o docente.
Ao longo dos anos, o SPRACE expandiu sua colaboração internacional para incluir entre as suas atividades análises científicas e instrumentação. Um dos projetos mais ambiciosos resultou no desenvolvimento de componentes eletrônicos para detectores do CERN, que serão utilizados na nova fase de operação do LHC, e serão aplicados nos dois principais detectores, o CMS e o Atlas. Entre os projetos futuros dessa nova fase estão pesquisas sobre matéria escura, um dos fenômenos mais misteriosos da física teórica. Estimativas apontam que essa matéria corresponde a 27% do Universo, mas a sua composição vem sendo investigada há mais de meio século e permanece uma incógnita.
A previsão é que as placas desenvolvidas pelo SPRACE sejam instaladas ao longo de 2027 e 2028, quando o LHC dará início à fase de atualização que aumentará a quantidade de colisões que o equipamento consegue gerar e, consequentemente, a precisão das informações captadas pelo acelerador de partículas, permitindo expandir ainda mais o conhecimento sobre as partículas elementares da natureza. Assim, a busca pelos limites do Modelo Padrão continua em andamento, com a participação brasileira assegurada na investigação de alguns dos maiores enigmas da ciência, entre eles, a natureza da matéria escura.