• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Stora uppgraderingar av partikeldetektorer och elektronik förbereder CERN -experiment för att strömma en datatunami

    Kenneth Read leddesign, tillverkning och montering av ALICEs uppgraderade elektronikhårdvara. Kredit:Bakgrund:CERN. Förgrund:Oak Ridge National Laboratory, USA:s avdelning för energi; fotograf Carlos Jones, komposition Brett Hopwood.

    För ett gigantiskt kärnfysiska experiment som kommer att generera stora data i oöverträffade takt - kallat A Large Ion Collider Experiment, eller ALICE - University of Tennessee har arbetat med Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory för att leda en grupp amerikanska kärnfysiker från en uppsättning institutioner inom design, utveckling, massproduktion och leverans av en betydande uppgradering av nya partikeldetektorer och toppmodern elektronik, med delar byggda över hela världen och nu genomgår installation på CERNs Large Hadron Collider (LHC).

    "Denna uppgradering ger helt nya möjligheter till ALICE -experimentet, "sade Thomas M. Cormier, projektledare för ALICE Barrel Tracking Upgrade (BTU), som inkluderar en elektronisk översyn som är bland de största som någonsin genomförts av DOE:s kontor för kärnfysik.

    ALICE är 1, 917 deltagare från 177 institut och 40 nationer är enade i att försöka bättre förstå materiens natur vid extrem temperatur och densitet. För detta ändamål, LHC skapar en följd av "små smällar" - exempel på materia vid energitätheter som inte setts i universum sedan mikrosekunder efter Big Bang. ALICE:s detektorer identifierar högenergipartiklarna och spårar deras banor, interaktioner och sönderfall som producerar dotterpartiklar med lägre energi, döttrar till döttrar, och så vidare. Uppgraderingarna gör det möjligt för ALICE att mer effektivt spåra partiklar med höga hastigheter, digitalisera sina svaga analoga elektroniska signaler kontinuerligt och strömma tsunamin av avläsningsdata till högpresterande datorer (HPC) runt om i världen för analys.

    "Genom att revidera instrumenteringen kan vi utöka fönstret för vetenskapen som ALICE kan titta på, "sa Cormier, som är fysiker vid ORNL och professor vid University of Tennessee i Knoxville. "Många saker väntar där ute för att upptäckas om vi bara har känsligheten för att se dem." Kombinerat med uppgraderingar till LHC -acceleratorn, BTU kommer att öka känsligheten tiofaldigt, möjliggör större differentiering av den underliggande vetenskapen.

    Slutfört före schema och under budget, projektet förlitade sig på deltagare från DOE:s Oak Ridge (ORNL) och Lawrence Berkeley (LBNL) National Laboratories och sju universitet:California at Berkeley, Creighton, Houston, Tennessee i Knoxville (UTK), Texas i Austin (UT Austin), Wayne State och Yale.

    Uppgraderingsarbetet började i april 2015 och slutade i november 2019, levererar en serie avancerade detektorer och elektronik till CERN. Forskare räknar med att installationen ska vara klar i vår.

    ALICEs magnetdörrar öppnas för att ge åtkomst till detektorer som genomgår uppgraderingar. Upphovsman:Julien Marius Ordan/CERN

    Med tanke på skalan, det här är ingen lätt grej. Ligger under jorden vid den fransk-schweiziska gränsen, ALICE är tyngre än Eiffeltornet. En 52 fot lång magnet är dess ytterdörr. Bakom det, kärnfysiker har rullat ut ett av världens största fatinstrument, som rymmer många detektorer anordnade i koncentriska cylindrar. LHC:s strållinje går genom dess mittaxel.

    Betydande ansträngningar har gjorts för att förbättra två ALICE -detektorsystem. En är Time Projection Chamber (TPC), en gasfylld cylindrisk apparat i storleken på en buss. När laddade partiklar rusar genom gasen, ett magnetfält böjer deras vägar, skapa böjda banor som avslöjar deras momenta och massor och, i tur och ordning, deras identitet. Varje ändlock på TPC-cylindern är täckt med två koncentriska ringar av nya inre och yttre avläsningskammare som tar emot joniseringsladdningen och förstärker den med ett innovativt fyrskiktssystem av perforerade mikromönster perforerade gasformiga elektronmultiplikatorfolier. Ett system på nästan en halv miljon, millimeter-skala kuddar sprider sig över ändarna av TPC-cylindern för att samla den förstärkta laddningen och skapa en elektronisk bild av de laddade partikelspåren.

    Det andra detektorsystemet som får en uppgradering är ett inre spårningssystem med sju lager. LBNL samarbetade med UT Austin för att utveckla sina mellanlager, som inkluderar en stark men lätt kolfiberram för att stödja sju lager av stavar som rymmer 24, 000 kisel-pixelsensorer för partikelspårning med hög precision. Varje pixel är 30 × 30 mikrometer i kvadrat - finare än ett genomsnittligt människohår. Denna detektor kommer att ha totalt 12,5 miljarder pixlar - vilket gör den till den största "digitalkameran" som någonsin byggts.

    Bearbetar den största informationen

    Uppgraderingen ökade dramatiskt antalet händelser per sekund som ALICE kan prova och läsa upp. Kenneth Read, chef för BTU:s elektronikuppgradering, ledde ett stort företag inom design, tillverkning och montering av elektronikhårdvara. Läsa, en experimentell kärnfysiker med expertis inom högpresterande datorer, har gemensamma möten på ORNL och UTK.

    I sista hand, Reads team levererade 3, 276 kretskort (plus 426 reservdelar) för avläsning av en halv miljon TPC -kanaler. Elektronikuppgraderingen gör det möjligt att digitalisera och distribuera 5 miljoner prover per sekund per kanal.

    ORNL -elektronikingenjör Alex Rusu utför installationssteg på tidsprojektionskammaren i renrummet på ALICE -sajten. Upphovsman:Oak Ridge National Laboratory, USA:s avdelning för energi

    "Non-stop datautmatning på totalt 3 terabyte per sekund kommer att flöda från Time Projection Chamber, 24/7, under datatagning, "Läs förklarat." Historiskt sett många experiment har behandlat megabyte per sekund, eller till och med gigabyte per sekund, datahastigheter. Realtidsbehandling av strömmande vetenskaplig data med 3 terabyte per sekund närmar sig unikt i världen. Detta är ett stort dataproblem av enorma proportioner. "

    Dessa data ger en ögonblicksbild av kvantsystemet som kallas kvark -gluonplasma - frågan om det mycket tidiga universum som först upptäcktes vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid Brookhaven National Laboratory och studerades därefter vid både RHIC och ALICE -detektorn vid LHC. En sådan plasma produceras här på jorden när en kraftfull kolliderare, som LHC, accelererar tunga joner, var och en innehåller många protoner och neutroner, och kolliderar dessa tunga joner med så mycket energi att deras protoner och neutroner "smälter" in i deras elementära byggstenar - kvarker och gluoner - i en plasma mer än 100, 000 gånger varmare än vår solkärna. Denna exploderande "soppa" av frigjorda kvarker och gluoner bildar partiklar som förfaller till otaliga andra partiklar. Detektoruppsättningen identifierar och kartlägger dem så att kärnforskare kan rekonstruera det som hände och få förståelse för de kollektiva fenomenen.

    Att fånga den uppsjö av partikelkollisionshändelser krävde att ett team av institut utvecklade ett skräddarsytt chip som kunde digitalisera och läsa ut den största datan. Ange "SAMPA". Kärnan i ALICE:s massiva elektronikuppgradering, detta chip började som Ph.D. avhandlingsprojekt av Hugo Hernandez, sedan vid universitetet i Sao Paolo.

    SAMPA -chips och andra elektroniska komponenter skickades till Zollner Electronics i Silicon Valley för montering på kretskort tillverkade av elektroniktillverkningsjätten TTM Technologies. Teamet av elektriska ingenjörer på doktorandnivå på ORNL som gör viktiga bidrag under elektronikuppgraderingen-ledande designer Charles Britton med N. Dianne Bull Ezell, Lloyd Clonts, Bruce Warmack och Daniel Simpson-utvecklade också en station med hög kapacitet för att testa brädorna precis vid monteringsfabriken. Medan det traditionellt tog 1 timme att diagnostisera och felsöka ett komplext kort, ORNL -teamets automatiska process gjorde det på bara 6 minuter.

    "Det brukade vara, du skulle beställa tusen widgets, ta emot dem på Oak Ridge och testa dem, "Läs påminns." Du skulle skicka tillbaka de dåliga till fabriken och de goda vidare till CERN. "ORNL-teststationerna tillät monteringsfabriken att skicka passerkort direkt till CERN i små" just-in-time "-partier för snabbare installation än möjligt när man väntar på stora partier.

    Kretskort anpassades med SAMPA -chips (fem svarta rutor) och snabba, strålningstoleranta optiska sändtagare (två komponenter sticker upp högst upp till höger). Upphovsman:Oak Ridge National Laboratory, USA:s avdelning för energi

    Forskarna kommer att kalibrera BTU med kosmiska strålar. Sedan, den uppgraderade utrustningen kommer att vara klar för LHC Run-3 med hög ljusstyrka, förväntas år 2021. Flera körningar av olika kollisionsdatauppsättningar är planerade-lead-on-lead, proton-på-bly och proton-på-proton-för att belysa framträdande egenskaper hos kvark-gluonplasma.

    Även ett år med insamlad rådata blir alldeles för stor för att arkiveras. Avläsningssystemet vinner strömmningsdata till petabyte-skala genom att bearbeta det i farten med hårdvaruacceleration med fältprogrammerbara grindmatriser och grafikprocessorenheter (GPU:er) som en bästa praxis. Den minskade informationen distribueras över höghastighetsnät till HPC-center runt om i världen, inklusive ORNL:s beräknings- och datamiljö för vetenskap, för vidare bearbetning. När experimenten blir större, fysiker bygger fallet för att även använda centraliserade resurser, som Oak Ridge Leadership Computing Facilitys Summit-superdator för GPU-accelererad databehandling.

    "Andra stora experiment på LHC med olika partikeldetektorer - särskilt ATLAS och CMS - kommer att möta några av samma datautmaningar som ALICE 2027 och därefter, "sa ALICE-forskaren Constantin Loizides från ORNL." BTU-elektronikens världsledande kapacitet kommer sannolikt att gynna framtida fysikaliska experiment som den planerade elektronjonkollidern, en högsta prioritet för amerikansk kärnfysik. "


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com