Timing neutrinoer med White Rabbit

Det er vigtigt at komme til tiden – bare spørg Lewis Carrolls leporine ven – og en gruppe, der ved dette mere end de fleste er partikelfysikere, hvis arbejde drejer sig om at holde styr på næsten lysets hastighed blips af stof.

Efterhånden som partikelacceleratorer og eksperimenter er blevet mere og mere komplekse og koreograferede gennem årtier, teknologien bag kulisserne har været nødt til at innovere for at følge med. Et sådant eksempel er White Rabbit, et smart timing- og dataoverførselssystem, der spiller en nøglerolle i moderne partikelfysik.

"Vi skubber altid vores eksperimenter til højere og højere præcision, " sagde Angela Fava, videnskabsmand på Fermilabs ICARUS neutrino-detektor og en del af holdet, der udforsker White Rabbit på Fermilab. "White Rabbit er virkelig nyttig, fordi den kan nå tidspræcision ned til mindre end en milliardtedel af et sekund."

Holder tiden

I moderne partikelacceleratorer, mange separate komponenter skal aktiveres i rækkefølge i tide for at identificere og spore partikler, der passerer forbi med lysets hastighed. Dette kræver meget præcise synkroniserings- og timingsystemer for at bestemme, hvornår disse hændelser skal forekomme – en æggeur vil ikke klippe det her.

Indtil for nylig, denne timing er normalt blevet opnået med enheder, der er fastkoblet til eksperimentelt udstyr, såsom General Machine Timing (GMT) systemet hos CERN. Men GMT har begrænsninger, inklusive en lav databåndbredde, kapaciteten til kun at sende signaler én vej gennem netværket, og en manglende evne til selv at kalibrere - til internt at beregne, hvor lang tid et signal har taget at rejse - hvilket resulterer i tidsfejl.

Efterhånden som eksperimenter vokser i kompleksitet og kræver nanosekundkoordination, fysikere er blevet efterladt med et behov for et one-size-fits-all system, der kan give den nødvendige tidssynkronisering og stadig være kompatibel med systemer fra flere kilder og leverandører, der allerede er på plads.

Løsningen er White Rabbit, et open source-system, der bygger på fælles og tilgængelig Ethernet-teknologi – den samme teknologi bag kablet internetadgang. Systemet fungerer lidt som et almindeligt computernetværk, også, med printplader kaldet "knuder, "styret af et specialskrevet program.

Op til omkring 1, 000 noder kan forbindes i et White Rabbit-netværk, alt sammen forbundet med et net af optiske fibre – op til 10 kilometer langt – for at udveksle information. Efterhånden som teknologien udvikler sig, systemet vil sandsynligvis være i stand til at understøtte endnu flere noder adskilt af større afstande.

Da præcis timing er så vigtig i moderne eksperimenter, White Rabbits kraft kommer i dens evne til at holde sig selv synkroniseret, uanset kabellængden mellem noder eller andre eksterne faktorer. Selv relativt små ændringer i kabeltemperaturen kan påvirke rejsetiden på skalaen af ​​nanosekunder, for eksempel.

Et White Rabbit-system fungerer lidt som et hierarki, hvor en af ​​noderne i et netværk er udpeget som "master" og er ansvarlig for at holde alle de andre noder i skak. Den eksterne tid føres ind i masteren fra atomoscillatorer med høj præcision via GPS-satellitter i kredsløb, den samme teknologi, som Google Maps navigation er baseret på.

Denne nøjagtige tid er digitalt knyttet til blips af data – som, for eksempel, omfatte kontrolinstruktioner til acceleratorer – der konstant flyver rundt på netværket. Ved at sende tidsmærkerne frem og tilbage mellem noder, hvilket GMT ikke kan, systemet kan beregne de tidsforsinkelser, det tager for data at rejse gennem kabler og korrigere for dem, holde alle noder synkroniseret med det korrekte tidspunkt og sikre, at eksperimentelle hændelser holdes koordineret.

Fava og videnskabsmanden Donatella Torretta, sammen med William Badgett hos Fermilab, arbejder i øjeblikket på at installere White Rabbit i nogle af Fermilabs eksperimenter, herunder Short-Baseline Neutrino-programmet (SBN), som vil studere neutrinoer – bittesmå, undvigende partikler. Den første brug af White Rabbit i Nordamerika, systemet kan bruges til at tidsmærke neutrinoerne fra deres produktion ved strålekilden til detektoren ved slutningen af ​​eksperimentet.

På SBN ICARUS-detektoren, White Rabbit kan også bruges til at få en ekstremt nøjagtig mærkning af uønskede kosmiske partikler, der kommer fra rummet og kommer i vejen for eksperimentet, potentielt skjule neutrino-signaturerne.

"Det ville være muligt at køre ICARUS uden White Rabbit, men det er meget nemmere, hvis vi bruger det, " sagde Fava. "Og det hele er også i realtid, så det sparer på vores computerkraft og lagerplads."

White Rabbit blev først udtænkt omkring 2008 som et internationalt samarbejde mellem CERN, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Tyskland, og andre samarbejdspartnere, og blev introduceret for at øge evnerne hos Large Hadron Collider.

Fra begyndelsen, samarbejdet har gjort både hardware og software til timingsystemet åbent tilgængeligt for alle i hele verden. Det fysiske udstyr kan købes hos kommercielle leverandører, mens softwaren er helt gratis og let tilgængelig online.

"Alle har gavn af, når videnskaben er åben, " sagde Torretta, som lærte om White Rabbit på en demonstrationsworkshop på CERN. "I takt med at teknologien udvikler sig, det bliver mere og mere populært."

Torretta har siden deltaget i yderligere workshops for at lære mere, herunder en for nylig i Barcelona, som var organiseret af White Rabbit-eksperter fra CERN.

CERN-udviklingsteamet sørgede også for at sikre, at designet var så generelt som muligt, for at tillade en lang række praktiske anvendelser af teknologien, også uden for videnskaben. En gruppe i Holland har endda brugt White Rabbit til at overføre officiel tid mellem hollandske byer med nanosekunders nøjagtighed.