Store opgraderinger af partikeldetektorer og elektronik forbereder CERN -eksperiment til at streame en datatunami

For et gigantisk atomfysisk eksperiment, der vil generere store data med hidtil usete hastigheder - kaldet A Large Ion Collider Experiment, eller ALICE - University of Tennessee har arbejdet med Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory for at lede en gruppe amerikanske atomfysikere fra en række institutioner i designet, udvikling, masseproduktion og levering af en betydelig opgradering af nye partikeldetektorer og state-of-the-art elektronik, med dele bygget over hele verden og nu under installation på CERNs Large Hadron Collider (LHC).

"Denne opgradering bringer helt nye muligheder til ALICE -eksperimentet, "sagde Thomas M. Cormier, projektdirektør for ALICE Barrel Tracking Upgrade (BTU), som omfatter en elektronikreparation, der er blandt de største, der nogensinde er foretaget af DOE's Office of Nuclear Physics.

ALICE er 1, 917 deltagere fra 177 institutter og 40 nationer er forenede i forsøget på bedre at forstå materiens natur ved ekstrem temperatur og tæthed. Til det formål, LHC skaber en række "små brag" - eksempler på stof ved energitætheder, der ikke er set i universet siden mikrosekunder efter Big Bang. ALICE's detektorer identificerer højenergipartiklerne og sporer deres baner, interaktioner og henfald, der producerer datterpartikler med lavere energi, døtre til døtre, og så videre. Opgraderingerne gør det muligt for ALICE mere effektivt at spore partikler ved høje hastigheder, digitalisere deres svage analoge elektroniske signaler løbende og streame tsunamien af ​​udlæste data til højtydende computing (HPC) -centre rundt om i verden til analyse.

"Ved at revidere instrumenteringen kan vi udvide vinduet for videnskaben, som ALICE kan se på, sagde Cormier, som er fysiker ved ORNL og professor ved University of Tennessee i Knoxville. "Mange ting venter derude for at blive opdaget, hvis vi bare har følsomheden for at se dem." Kombineret med opgraderinger til LHC -acceleratoren, BTU vil øge følsomheden ti gange, muliggøre større differentiering af den underliggende videnskab.

Afsluttet forud for planen og under budget, projektet støttede sig på deltagere fra DOE's Oak Ridge (ORNL) og Lawrence Berkeley (LBNL) National Laboratories og syv universiteter:Californien i Berkeley, Creighton, Houston, Tennessee i Knoxville (UTK), Texas i Austin (UT Austin), Wayne State og Yale.

Opgraderingsindsatsen begyndte i april 2015 og sluttede i november 2019, leverer en række avancerede detektorer og elektronik til CERN. Forskere forventer færdiggørelse af installationer til foråret.

I betragtning af omfanget, dette er ingen let bedrift. Placeret under jorden ved den fransk-schweiziske grænse, ALICE er tungere end Eiffeltårnet. En 52 fod høj magnet er dens hoveddør. Bag det, atomfysikere har rullet et af verdens største tøndeinstrumenter ud, huser mange detektorer arrangeret i koncentriske cylindre. LHC's strålelinje løber gennem sin midterakse.

Der blev gjort en betydelig indsats for at forbedre to ALICE -detektorsystemer. Den ene er Time Projection Chamber (TPC), et gasfyldt cylindrisk apparat på størrelse med en shuttlebus. Da ladede partikler siver gennem gassen, et magnetfelt bøjer deres veje, skabe buede baner, der afslører deres momenta og masser og, på tur, deres identitet. Hver ende af TPC-cylinderen er dækket med to koncentriske ringe af nye indre og ydre udlæsningskamre, der modtager ioniseringsladningen og forstærker den ved hjælp af et innovativt firelags system af mikromønsterperforerede gasformige elektronmultiplikatorfolier. Et system på næsten en halv million, millimeter-skala puder breder sig over enderne af TPC-cylinderen for at opsamle den forstærkede ladning og skabe et elektronisk billede af de ladede partikelspor.

Det andet detektorsystem, der modtager en opgradering, er et syv-lags indre sporingssystem. LBNL samarbejdede med UT Austin om at udvikle sine mellemlag, som inkluderer en stærk, men let, carbonfiberramme til understøttelse af syv lag stave, der holder 24, 000 silicium-pixelsensorer til partikelsporing med høj præcision. Hver pixel er 30 × 30 mikrometer kvadreret - finere end et gennemsnitligt menneskehår. Denne detektor har i alt 12,5 milliarder pixels - hvilket gør det til det største "digitale kamera", der nogensinde er bygget.

Behandler den største data

Opgraderingen øgede dramatisk antallet af hændelser i sekundet, som ALICE kan prøve og læse op. Kenneth Read, leder af BTU's elektronikopgradering, ledet en enorm virksomhed inden for design, fremstilling og samling af elektronikhardware. Læs, en eksperimentel atomfysiker med ekspertise inden for højtydende computing, har fælles ansættelser på ORNL og UTK.

Ultimativt, Read's team leverede 3, 276 printkort (plus 426 reservedele) til aflæsning af en halv million TPC -kanaler. Elektronikopgraderingen gør det muligt at digitalisere og distribuere 5 millioner prøver pr. Sekund pr. Kanal.

"Non-stop dataoutput på i alt 3 terabyte pr. Sekund vil strømme fra Time Projection Chamber, 24/7, under datatagning, "Læs forklaret." Historisk set mange eksperimenter har handlet om megabyte i sekundet, eller endda gigabyte i sekundet, datahastigheder. Real-time behandling af streaming af videnskabelige data med 3 terabyte i sekundet nærmer sig enestående i verden. Dette er et stort dataproblem i enorme proportioner. "

Disse data giver et øjebliksbillede af kvantesystemet kendt som kvark -gluonplasma - sagen om det meget tidlige univers, der først blev opdaget ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory og efterfølgende studeret på både RHIC og ALICE -detektoren ved LHC. Et sådant plasma produceres her på Jorden, når en kraftig kolliderer, såsom LHC, fremskynder tunge ioner, hver indeholder mange protoner og neutroner, og kolliderer disse tunge ioner med så meget energi, at deres protoner og neutroner "smelter" ind i deres elementære byggesten - kvarker og gluoner - i et plasma mere end 100, 000 gange varmere end vores solkerne. Denne eksploderende "suppe" af frigjorte kvarker og gluoner danner partikler, der henfalder til utallige andre partikler. Detektorarrayet identificerer og kortlægger dem, så atomforskere kan rekonstruere, hvad der skete og få forståelse for de kollektive fænomener.

At fange den overflod af partikelkollision begivenheder krævede et team af institutter for at udvikle en skræddersyet chip, der kunne digitalisere og læse den største data. Indtast "SAMPA". Kernen i ALICEs massive elektronikopgradering, denne chip begyndte som ph.d. afhandlingsprojekt af Hugo Hernandez, derefter på universitetet i Sao Paolo.

SAMPA -chips og andre elektroniske komponenter blev sendt til Zollner Electronics i Silicon Valley for montering på printkort fremstillet af elektronikfremstillingsgiganten TTM Technologies. Teamet af elektriske ingeniører på ORNL Ph.D.-niveau, der yder kritiske bidrag under elektronikopgraderingen-hoveddesigner Charles Britton med N. Dianne Bull Ezell, Lloyd Clonts, Bruce Warmack og Daniel Simpson-udviklede også en station med høj kapacitet til at teste brædderne lige på samlefabrikken. Mens det traditionelt tog 1 time at diagnosticere og fejlsøge et komplekst kort, ORNL -teamets automatiserede proces gjorde det på kun 6 minutter.

"Det plejede at være, du ville bestille tusinde widgets, modtag dem på Oak Ridge og test dem, "Læs erindret." Du ville sende de onde tilbage til fabrikken og de gode videre til CERN. "ORNL-teststationerne tillod forsamlingsfabrikken at sende bestyrelser direkte til CERN i små" just-in-time "-partier for hurtigere installation end muligt, når man venter på store partier.

Forskerne vil kalibrere BTU ved hjælp af kosmiske stråler. Derefter, det opgraderede udstyr vil være klar til højlysstyrken LHC Run-3, forventet i 2021. Flere kørsler af forskellige kollisionsdatasæt er planlagt-føre-til-bly, proton-på-bly og proton-på-proton-for at belyse nye funktioner i kvark-gluonplasma.

Selv et års indsamlede rådata vil være alt for stort til at arkivere. Udlæsningssystemet vinder streamingdataene til petabyte-skala ved at behandle det i farten med hardwareacceleration ved hjælp af feltprogrammerbare gate-arrays og grafikprocessorenheder (GPU'er)-betragtes som en god praksis. De reducerede data distribueres over højhastighedsnetværk til HPC-centre rundt om i verden, herunder ORNLs beregnings- og datamiljø for videnskab, til videre behandling. Når eksperimenterne bliver større, fysikere bygger sagen til også at bruge centraliserede ressourcer, såsom Oak Ridge Leadership Computing Facility's Summit-supercomputer til GPU-accelereret databehandling.

"Andre store forsøg på LHC ved hjælp af forskellige partikeldetektorer - især ATLAS og CMS - vil konfrontere nogle af de samme dataudfordringer som ALICE i 2027 og fremover, "sagde ALICE-forskeren Constantin Loizides fra ORNL." BTU-elektronikkens verdensførende muligheder vil sandsynligvis gavne fremtidige fysikeksperimenter som den planlagte elektron-ion-kollider, en topprioritet for amerikansk atomfysik. "