Att vara i tid är viktigt - fråga bara Lewis Carrolls leporinvän - och en grupp som vet detta mer än de flesta är partikelfysiker, vars arbete kretsar kring att hålla reda på hastighetsblåsor av materia nära ljus.

När partikelacceleratorer och experiment har blivit alltmer komplexa och koreograferade under årtiondena, tekniken bakom kulisserna har varit tvungen att förnya sig för att hänga med. Ett sådant exempel är White Rabbit, ett smart timing- och dataöverföringssystem som spelar en nyckelroll i modern partikelfysik.

"Vi driver alltid våra experiment till högre och högre precision, "sa Angela Fava, forskare på Fermilabs ICARUS neutrino -detektor och en del av teamet som utforskar White Rabbit på Fermilab. "White Rabbit är verkligen användbart eftersom det kan nå tidsprecisioner ner till mindre än en miljarddel av en sekund."

Håller tid

I moderna partikelacceleratorer, många separata komponenter måste aktiveras i följd i tid för att identifiera och spåra partiklar som passerar med ljusets hastighet. Detta kräver mycket exakta synkroniserings- och tidtagningssystem för att avgöra när dessa händelser ska inträffa - en äggklocka kommer inte att klippa den här.

Tills nyligen, denna tidpunkt har vanligtvis uppnåtts med enheter som är fastkopplade till experimentell utrustning, t.ex. General Machine Timing (GMT) -systemet på CERN. Men GMT har begränsningar, inklusive låg databandbredd, förmågan att bara skicka signaler en väg genom nätverket, och en oförmåga att självkalibrera-att internt beräkna hur lång tid en signal har tagit att resa-vilket resulterar i tidsfel.

När experimenten växer i komplexitet och kräver samordning av nanosekunder, fysiker har behövt ett system som passar alla och som kan tillhandahålla den nödvändiga tidssynkroniseringen och fortfarande vara kompatibel med system från flera källor och leverantörer som redan finns på plats.

Lösningen är White Rabbit, ett system med öppen källkod som bygger på gemensam och tillgänglig Ethernet-teknik-samma teknik bakom fast internetuppkoppling. Systemet fungerar ungefär som ett vanligt datanätverk, för, med kretskort som kallas "noder, "styrs av ett särskilt skrivet program.

Upp till cirka 1, 000 noder kan länkas i ett White Rabbit -nätverk, alla anslutna tillsammans med en bana av optiska fibrer - upp till 10 kilometer långa - för att utbyta information. När tekniken utvecklas, systemet kommer sannolikt att kunna stödja ännu fler noder åtskilda av större avstånd.

Eftersom exakt tidpunkt är så viktigt i moderna experiment, White Rabbits kraft kommer i dess förmåga att hålla sig synkroniserad, oavsett kabellängd mellan noder eller andra yttre faktorer. Även relativt små förändringar i kabeltemperaturen kan påverka restiden på nanosekundernas skala, till exempel.

Ett White Rabbit -system fungerar ungefär som en hierarki, där en av noderna i ett nätverk betecknas som "master" och är ansvarig för att hålla alla andra noder i schack. Den externa tiden matas in i mästaren från högprecision atomoscillatorer via kretsande GPS-satelliter, samma teknik som Google Maps -navigering bygger på.

Denna exakta tid är digitalt kopplad till dataflöden - vilket, till exempel, inkludera kontrollinstruktioner för acceleratorer - som ständigt flyger runt i nätverket. Genom att skicka tidtaggarna fram och tillbaka mellan noder, vilket GMT inte kan göra, systemet kan beräkna tidsfördröjningar som det tar för data att resa genom kablar och korrigera för dem, hålla alla noder i synkronisering med rätt tid och se till att experimentella händelser hålls samordnade.

Fava och forskaren Donatella Torretta, tillsammans med William Badgett på Fermilab, arbetar för närvarande med att installera White Rabbit i några av Fermilabs experiment, inklusive programmet Short-Baseline Neutrino (SBN), som kommer att studera neutrinos - små, svårfångade partiklar. Den första användningen av White Rabbit i Nordamerika, systemet kan användas för att tidsmärka neutrinoerna från deras produktion vid strålkällan till detektorn i slutet av experimentet.

På SBN ICARUS -detektorn, White Rabbit kan också användas för att få en extremt noggrann märkning av oönskade kosmiska partiklar som kommer från rymden och kommer i vägen för experimentet, eventuellt dölja neutrinosignaturerna.

"Det skulle vara möjligt att köra ICARUS utan White Rabbit, men det är mycket lättare om vi använder det, "sa Fava." Och allt är i realtid också, så det sparar vår datorkraft och lagring. "

White Rabbit uppfattades först omkring 2008 som ett internationellt samarbete mellan CERN, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Tyskland, och andra partners, och introducerades för att öka förmågan hos Large Hadron Collider.

Från början, samarbetet har gjort både hårdvara och programvara för tidssystemet öppet tillgängligt för alla runt om i världen. Den fysiska utrustningen kan köpas från kommersiella leverantörer, medan programvaran är helt gratis och lättillgänglig online.

"Alla tjänar på när vetenskapen är öppen, "sa Torretta, som lärde sig om White Rabbit på en demonstrationsverkstad på CERN. "När tekniken utvecklas, det blir mer och mer populärt. "

Torretta har sedan dess deltagit i ytterligare workshops för att lära sig mer, inklusive en nyligen i Barcelona, som organiserades av White Rabbit -experter från CERN.

CERN -utvecklingsteamet såg också till att designen var så generell som möjligt, för att möjliggöra ett stort antal praktiska tillämpningar för tekniken, inklusive utanför vetenskapen. En grupp i Nederländerna har till och med använt White Rabbit för att överföra officiell tid mellan nederländska städer med nanosekundnoggrannheter.