Для гигантского эксперимента по ядерной физике, который будет генерировать большие данные с беспрецедентной скоростью – под названием «Эксперимент с большим ионным коллайдером» или ALICE – Университет Теннесси имеет работал с Национальной лабораторией Ок-Риджа Министерства энергетики, чтобы возглавить группу американских физиков-ядерщиков из ряда учреждений, занимающихся проектированием, разработкой, массовым производством и поставкой значительного обновления новых детекторов частиц и современной электроники, с деталями, изготовленными по всему миру и в настоящее время проходящими установку на Большом адронном коллайдере CERN (LHC).
«Это обновление приносит совершенно новые возможности в эксперимент ALICE», – сказал Томас М. Кормиер, проект директор ALICE Barrel Tracking Upgrade (BTU), который включает в себя капитальный ремонт электроники, который является одним из крупнейших в истории Управления ядерной физики Министерства энергетики
ALICE's 1, 917 участники от 177 институтов и 40 нации объединяются, чтобы лучше понять природу материи при экстремальных температурах и плотности. С этой целью LHC создает череду «маленьких взрывов» – образцов материи с плотностью энергии, не видимой во вселенной с микросекунд после Большого взрыва. Детекторы ALICE идентифицируют частицы высокой энергии и отслеживают их траектории, взаимодействия и распады, которые производят дочерние частицы с более низкой энергией, дочери дочерей и так далее. Обновления позволяют ALICE более эффективно отслеживать частицы с высокими скоростями, непрерывно оцифровывать их слабые аналоговые электронные сигналы и передавать цунами считываемых данных в центры высокопроизводительных вычислений (HPC) по всему миру для анализа.
«Пересмотр инструментария позволяет нам расширить окно науки, на которое может смотреть ALICE», – сказал Кормир, физик в ORNL и профессор Университета Теннесси в Ноксвилле. «Многие вещи ждут, чтобы их обнаружили, если у нас будет достаточно чувствительности, чтобы их увидеть». В сочетании с модернизацией ускорителя LHC, BTU увеличит чувствительность в десять раз, что обеспечит большую дифференциацию базовой науки.
Завершенный досрочно и в рамках бюджета, проект опирался на участников из Национальных лабораторий DOE Oak Ridge (ORNL) и Lawrence Berkeley (LBNL) и семи университетов: Калифорния в Беркли, Крейтон, Хьюстон, Теннесси в Ноксвилле (UTK), Техас в Остине (штат Юта, Остин), штат Уэйн и Йельском университете.
Обновление началось в апреле 2015 и закончилась в ноябре 2019, поставляя набор современных детекторов и электроники в ЦЕРН. Исследователи ожидают завершения установки этой весной.
Учитывая масштаб, это нелегкий подвиг. Расположенный под землей на франко-швейцарской границе, ALICE тяжелее Эйфелевой башни. A 52 – футовый магнит его входная дверь. За этим физики-ядерщики выкатили один из крупнейших в мире бочкообразных инструментов, в котором размещены многие детекторы, расположенные в концентрических цилиндрах. Линия луча LHC проходит через его центральную ось.
Значительные усилия были направлены на улучшение двух систем детекторов ALICE. Одним из них является камера проецирования времени (TPC), цилиндрический аппарат, заполненный газом, размером с челночный автобус. Когда заряженные частицы движутся по газу, магнитное поле изгибает их пути, создавая изогнутые траектории, которые раскрывают их импульсы и массы и, в свою очередь, их идентичность. Каждая торцевая крышка цилиндра TPC покрыта двумя концентрическими кольцами новых внутренних и внешних камер считывания, которые получают ионизационный заряд и усиливают его, используя инновационную четырехслойную систему перфорированных фольг-мультипликаторов газообразных электронов с микрофиброй. Система из полумиллиона миллиметровых прокладок распространяется по концам цилиндра TPC для сбора усиленного заряда и создания электронного изображения следов заряженных частиц.
Вторая система извещателей, которая получит обновление – это семислойная Внутренняя система слежения. LBNL совместно с UT Austin разработали его средние слои, которые включают прочную, но легкую раму из углеродного волокна для поддержки семи слоев удержания посоха 24, 000 кремниево-пиксельные датчики для высокоточного отслеживания частиц. Каждый пиксель 30 × в квадрате – тоньше, чем средний человеческий волос Этот детектор будет иметь в общей сложности 12. 5 миллиардов пикселей, что делает его самой большой «цифровой камерой» из когда-либо созданных.
Обработка самой большой из данных
Обновление значительно увеличило количество событий в секунду, которые ALICE может сэмплировать и считывать. Кеннет Рид, менеджер по модернизации электроники BTU, возглавил огромный проект в области проектирования, изготовления и сборки электроники. Рид, физик-ядерщик с опытом работы в области высокопроизводительных вычислений, проводит совместные встречи в ORNL и UTK.
В итоге команда Рида поставила 3 276 плат ( плюс 426 за отсчет полумиллиона ТПК каналы. Обновление электроники позволяет оцифровывать и распространять 5 миллионов выборок в секунду на канал.
«Непрерывный вывод данных общим объемом 3 терабайта в секунду будет поступать из камеры проецирования времени, 24 / 7, во время сбора данных “Читай объяснил. «Исторически, многие эксперименты имели дело со скоростью передачи данных мегабайт в секунду или даже гигабайт в секунду. Обработка потоковых научных данных в режиме реального времени со скоростью 3 терабайта в секунду приближается к уникальной в мире. Это проблема с большими объемами данных огромных размеров. . “
Эти данные дают снимок квантовой системы, известной как кварк-глюонная плазма, – вещество очень ранней вселенной, впервые обнаруженной на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории и впоследствии изученной как на RHIC, так и на детекторе ALICE на LHC. Такая плазма возникает здесь, на Земле, когда мощный коллайдер, такой как LHC, ускоряет тяжелые ионы, каждый из которых содержит много протонов и нейтронов, и сталкивает эти тяжелые ионы с такой энергией, что их протоны и нейтроны «растворяются» в их элементарном строении. блоки – кварки и глюоны – в плазме более чем 100, 000 В разы жарче, чем ядро нашего Солнца. Этот взрывающийся «суп» из освобожденных кварков и глюонов образует частицы, которые распадаются на множество других частиц. Матрица детекторов идентифицирует и отображает их, чтобы ученые-ядерщики могли восстановить то, что произошло, и получить представление о коллективных явлениях.
Для того, чтобы отразить множество событий столкновения частиц, требуется команда институтов для разработки специализированного чипа, который может оцифровывать и считывать самые большие данные. Введите “SAMPA”. В основе масштабного обновления электроники ALICE, этот чип начал в качестве кандидата наук. дипломный проект Уго Эрнандеса, затем в университете Сан-Паулу.
Чипы SAMPA и другие электронные компоненты были поставлено Zollner Electronics в Силиконовой долине для монтажа на печатные платы, изготовленные гигантом по производству электроники TTM Technologies. Команда инженеров-электриков уровня доктора наук ORNL, внесших критический вклад в модернизацию электроники, – ведущий дизайнер Чарльз Бриттон с Н. Дайан Булл Эзелл, Ллойд Клонтс, Брюс Вармак и Дэниел Симпсон – также разработали высокопроизводительную станцию для тестирования доски прямо на сборочном заводе. Если для диагностики и отладки сложной платы традиционно требовался 1 час, автоматизированный процесс команды ORNL сделал это всего за 6 минут.
«Раньше вы заказывали тысячу виджетов, получали их в Ок-Ридже и проверяли их», – вспомнил Рид. «Вы отправите плохих обратно на фабрику, а хорошие – в ЦЕРН». Испытательные станции ORNL позволили сборочному заводу отгружать проходные щиты непосредственно в CERN небольшими партиями «точно в срок» для более быстрой установки, чем это возможно при ожидании на больших партиях.
Исследователи будут калибровать BTU, используя космические лучи. Затем модернизированное оборудование будет готово к запуску LHC Run-3 с высокой светимостью, ожидаемому в 2021. Планируется несколько прогонов различных наборов данных о столкновениях – свинец на свинце, протон на свинце и протон на протоне – для освещения возникающих особенностей кварк-глюонной плазмы.
Даже один год собранных необработанных данных будет слишком большим для архивирования. Система считывания выводит потоковые данные в петабайтный масштаб, обрабатывая их на лету с аппаратным ускорением с использованием программируемых пользователем вентильных массивов и графических процессоров (GPU), что считается наилучшей практикой. Сокращенные данные передаются по высокоскоростным сетям в центры HPC по всему миру, включая вычислительную среду ORNL и Data Environment for Science, для дальнейшей обработки. По мере того, как эксперименты расширяются, физики строят условия для использования также централизованных ресурсов, таких как суперкомпьютер Summit Oak Ridge Leadership Computing Facility для обработки данных с GPU-ускорением.
.
«Другие крупные эксперименты на LHC с использованием различных детекторов частиц, в частности ATLAS и CMS, столкнутся с некоторыми из тех же проблем с данными, что и ALICE в 2027 и далее», – сказал исследователь ALICE Константин Лоизидес из ORNL. «Ведущие мировые возможности электроники BTU, вероятно, пойдут на пользу будущим физическим экспериментам, таким как запланированный электронно-ионный коллайдер, главный приоритет для ядерной физики США».