Op tijd zijn is belangrijk - vraag het maar aan de leporinevriend van Lewis Carroll - en een groep die dit beter weet dan de meeste zijn deeltjesfysici, wiens werk draait om het bijhouden van bijna-lichtsnelheid blips van materie.

Omdat deeltjesversnellers en experimenten de afgelopen decennia steeds complexer en gechoreografeerder zijn geworden, technologie achter de schermen heeft moeten innoveren om bij te blijven. Een voorbeeld hiervan is White Rabbit, een slim timing- en gegevensoverdrachtsysteem dat een sleutelrol speelt in de moderne deeltjesfysica.

"We pushen onze experimenten altijd naar steeds hogere precisies, " zei Angela Fava, wetenschapper op de ICARUS-neutrinodetector van Fermilab en een deel van het team dat White Rabbit bij Fermilab verkent. "White Rabbit is erg handig omdat het tijdnauwkeurigheden kan bereiken tot minder dan een miljardste van een seconde."

Tijd houden

In moderne deeltjesversnellers, veel afzonderlijke componenten moeten tijdig achter elkaar worden geactiveerd om deeltjes die met de snelheid van het licht voorbijgaan te identificeren en te volgen. Dit vereist zeer nauwkeurige synchronisatie- en timingsystemen om te bepalen wanneer deze gebeurtenissen zouden moeten plaatsvinden - een eierwekker zal het hier niet redden.

Tot voor kort, deze timing is meestal bereikt met apparaten die zijn aangesloten op experimentele apparatuur, zoals het General Machine Timing (GMT)-systeem bij CERN. Maar GMT heeft beperkingen, inclusief een lage databandbreedte, de capaciteit om signalen slechts in één richting door het netwerk te sturen, en een onvermogen om zelf te kalibreren - om intern te berekenen hoe lang een signaal heeft geduurd om te reizen - wat resulteert in timingfouten.

Naarmate experimenten steeds complexer worden en coördinatie van nanoseconden nodig zijn, natuurkundigen hebben behoefte aan een one-size-fits-all systeem dat de vereiste tijdsynchronisatie kan bieden en toch compatibel is met systemen van meerdere bronnen en leveranciers die al aanwezig zijn.

De oplossing is Wit Konijn, een open-sourcesysteem dat voortbouwt op gemeenschappelijke en toegankelijke Ethernet-technologie - dezelfde technologie achter bekabelde internettoegang. Het systeem werkt als een alledaags computernetwerk, te, met printplaten genaamd "nodes, " aangestuurd door een speciaal geschreven programma.

Tot ongeveer 1, 000 nodes kunnen worden gekoppeld in één White Rabbit-netwerk, allemaal met elkaar verbonden met een web van optische vezels – tot 10 kilometer lang – om informatie uit te wisselen. Naarmate de technologie zich ontwikkelt, het systeem zal waarschijnlijk nog meer knooppunten kunnen ondersteunen, gescheiden door grotere afstanden.

Omdat nauwkeurige timing zo belangrijk is in moderne experimenten, De kracht van White Rabbit zit hem in het vermogen om zichzelf gesynchroniseerd te houden, ongeacht de kabellengte tussen knooppunten of andere externe factoren. Zelfs relatief kleine veranderingen in kabeltemperatuur kunnen de reistijd op de schaal van nanoseconden beïnvloeden, bijvoorbeeld.

Een White Rabbit-systeem werkt als een hiërarchie, waarbij een van de knooppunten in een netwerk wordt aangeduid als een "master" en verantwoordelijk is voor het onder controle houden van alle andere knooppunten. De externe tijd wordt in de master ingevoerd vanuit zeer nauwkeurige atomaire oscillatoren via in een baan om de aarde draaiende GPS-satellieten, dezelfde technologie waarop de navigatie van Google Maps is gebaseerd.

Deze exacte tijd is digitaal gekoppeld aan blips van gegevens - die, bijvoorbeeld, bevatten besturingsinstructies voor versnellers - die constant rond het netwerk vliegen. Door de tijdlabels heen en weer te sturen tussen knooppunten, waar GMT niet toe in staat is, het systeem kan de tijdsvertragingen berekenen die nodig zijn om gegevens door kabels te verplaatsen en deze corrigeren, alle knooppunten synchroon houden met de juiste tijd en ervoor zorgen dat experimentele gebeurtenissen gecoördineerd worden gehouden.

Fava en wetenschapper Donatella Torretta, samen met William Badgett bij Fermilab, werken momenteel aan het installeren van White Rabbit in een aantal experimenten van Fermilab, inclusief het Short-Baseline Neutrino (SBN)-programma, die neutrino's zal bestuderen - kleine, ongrijpbare deeltjes. Het eerste gebruik van White Rabbit in Noord-Amerika, het systeem kan worden gebruikt om de neutrino's te time-taggen vanaf hun productie bij de bundelbron tot aan de detector aan het einde van het experiment.

Op de SBN ICARUS-detector, White Rabbit kan ook worden gebruikt om een ​​extreem nauwkeurige tagging te krijgen van ongewenste kosmische deeltjes die uit de ruimte komen en het experiment in de weg staan, mogelijk de neutrino-signaturen verbergen.

"Het zou mogelijk zijn om ICARUS te runnen zonder White Rabbit, maar het is veel gemakkelijker als we het gebruiken, "zei Fava. "En het is ook allemaal in realtime, dus het bespaart op onze rekenkracht en opslag."

White Rabbit werd rond 2008 voor het eerst bedacht als een internationale samenwerking tussen CERN, het GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Duitsland, en andere partners, en werd geïntroduceerd om de capaciteiten van de Large Hadron Collider te vergroten.

Vanaf het begin, de samenwerking heeft ervoor gezorgd dat zowel de hardware als de software voor het timingsysteem openlijk beschikbaar is voor iedereen over de hele wereld. De fysieke apparatuur kan worden gekocht bij commerciële leveranciers, terwijl de software volledig gratis en gemakkelijk online toegankelijk is.

"Iedereen heeft er baat bij als de wetenschap open is, " zei Torretta, die over White Rabbit hoorde tijdens een demonstratieworkshop bij CERN. "Naarmate de technologie zich ontwikkelt, het wordt steeds populairder."

Torretta heeft sindsdien verdere workshops gevolgd om meer te leren, waaronder een onlangs in Barcelona, die werd georganiseerd door White Rabbit-experts van CERN.

Het ontwikkelingsteam van CERN zorgde er ook voor dat het ontwerp zo algemeen mogelijk was, om een ​​groot aantal praktische toepassingen voor de technologie mogelijk te maken, ook buiten de wetenschap. Een groep in Nederland heeft zelfs White Rabbit gebruikt om de officiële tijd tussen Nederlandse steden met nanoseconden nauwkeurig te verzenden.