Voor een gigantisch kernfysica-experiment dat big data zal genereren met ongekende snelheden, genaamd A Large Ion Collider Experiment, of ALICE - de University of Tennessee heeft samengewerkt met het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy om een ​​groep Amerikaanse kernfysici van een reeks instellingen te leiden bij het ontwerp, ontwikkeling, massaproductie en levering van een belangrijke upgrade van nieuwe deeltjesdetectoren en ultramoderne elektronica, met onderdelen die over de hele wereld zijn gebouwd en die nu worden geïnstalleerd bij CERN's Large Hadron Collider (LHC).

"Deze upgrade brengt geheel nieuwe mogelijkheden voor het ALICE-experiment, " zei Thomas M. Cormier, projectdirecteur van de ALICE Barrel Tracking Upgrade (BTU), die een elektronica-revisie omvat die een van de grootste is die ooit is uitgevoerd door DOE's Office of Nuclear Physics.

ALICE's 1, 917 deelnemers van 177 instituten en 40 landen zijn verenigd in een poging om de aard van materie bij extreme temperaturen en dichtheid beter te begrijpen. Daartoe, de LHC creëert een opeenvolging van "kleine knallen" - monsters van materie met energiedichtheden die sinds microseconden na de oerknal niet meer in het universum zijn waargenomen. ALICE's detectoren identificeren de hoogenergetische deeltjes en volgen hun banen, interacties en verval die dochterdeeltjes met een lagere energie produceren, dochters van dochters, enzovoort. De upgrades stellen ALICE in staat om deeltjes efficiënter te volgen met hoge snelheden, digitaliseren hun zwakke analoge elektronische signalen continu en streamen de tsunami van uitleesgegevens naar HPC-centra (High Performance Computing) over de hele wereld voor analyse.

"Door de instrumentatie te herzien, kunnen we het venster van de wetenschap uitbreiden waar ALICE naar kan kijken, " zei Cormier, die fysicus is bij ORNL en professor aan de Universiteit van Tennessee in Knoxville. "Er wachten veel dingen om ontdekt te worden, als we maar de gevoeligheid hebben om ze te zien." Gecombineerd met upgrades naar de LHC-versneller, de BTU zal de gevoeligheid vertienvoudigen, waardoor een grotere differentiatie van de onderliggende wetenschap mogelijk wordt.

Voortijdig en binnen budget afgerond, het project steunde op deelnemers van DOE's Oak Ridge (ORNL) en Lawrence Berkeley (LBNL) National Laboratories en zeven universiteiten:Californië in Berkeley, Creighton, Houston, Tennessee in Knoxville (UTK), Texas in Austin (UT Austin), Wayne State en Yale.

De upgrade-inspanningen begonnen in april 2015 en eindigden in november 2019, het leveren van een reeks geavanceerde detectoren en elektronica aan CERN. Onderzoekers verwachten dit voorjaar de oplevering van installaties.

Gezien de schaal, dit is geen gemakkelijke prestatie. Ondergronds gelegen aan de Frans-Zwitserse grens, ALICE is zwaarder dan de Eiffeltoren. Een 52 meter hoge magneet is de voordeur. Erachter, kernfysici hebben een van 's werelds grootste loopinstrumenten uitgerold, huisvesting van vele detectoren gerangschikt in concentrische cilinders. De bundellijn van LHC loopt door zijn middenas.

Er zijn aanzienlijke inspanningen geleverd om twee ALICE-detectorsystemen te verbeteren. Een daarvan is de tijdprojectiekamer (TPC), een met gas gevuld cilindrisch apparaat ter grootte van een shuttlebus. Terwijl geladen deeltjes door het gas razen, een magnetisch veld buigt hun paden, het creëren van gebogen banen die hun momenta en massa onthullen en, beurtelings, hun identiteiten. Elke eindkap van de TPC-cilinder is bedekt met twee concentrische ringen van nieuwe binnen- en buitenuitleeskamers die de ionisatielading ontvangen en versterken met behulp van een innovatief vierlaags systeem van geperforeerde gasvormige elektronenvermenigvuldigingsfolies met micropatroon. Een systeem van bijna een half miljoen, pads op millimeterschaal verspreiden zich over de uiteinden van de TPC-cilinder om de versterkte lading te verzamelen en een elektronisch beeld te creëren van de geladen deeltjessporen.

Het tweede detectorsysteem dat een upgrade krijgt, is een zevenlaags Inner Tracking System. LBNL werkte samen met UT Austin om de middenlagen te ontwikkelen, die een sterk maar lichtgewicht koolstofvezelframe bevatten om zeven lagen duigen te ondersteunen met 24, 000 siliciumpixelsensoren voor zeer nauwkeurige tracking van deeltjes. Elke pixel is 30 × 30 micrometer in het kwadraat - fijner dan een gemiddeld mensenhaar. Deze detector zal in totaal 12,5 miljard pixels hebben, waarmee het de grootste "digitale camera" is die ooit is gebouwd.

De grootste gegevens verwerken

De upgrade verhoogde het aantal gebeurtenissen per seconde dat ALICE kan samplen en uitlezen drastisch. Kenneth Lees, manager van de elektronica-upgrade van BTU, leidde een enorme onderneming in ontwerp, fabricage en montage van elektronische hardware. Lezen, een experimentele kernfysicus met expertise in high performance computing, heeft gezamenlijke aanstellingen bij ORNL en UTK.

uiteindelijk, Read's team leverde 3, 276 printplaten (plus 426 reserveonderdelen) voor het uitlezen van de half miljoen TPC-kanalen. De elektronica-upgrade maakt het mogelijk om 5 miljoen samples per seconde per kanaal te digitaliseren en te distribueren.

"Non-stop data-output van in totaal 3 terabyte per seconde zal uit de tijdprojectiekamer stromen, 24/7, tijdens het nemen van gegevens, Lees uitgelegd. "Historisch gezien, veel experimenten hebben te maken gehad met megabyte per seconde, of zelfs gigabyte per seconde, datasnelheden. Realtime verwerking van streaming wetenschappelijke gegevens met 3 terabyte per seconde nadert uniek in de wereld. Dit is een big data-probleem van enorme proporties."

Die gegevens bieden een momentopname van het kwantumsysteem dat bekend staat als het quark-gluonplasma - de materie van het zeer vroege universum die voor het eerst werd ontdekt in de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in het Brookhaven National Laboratory en vervolgens werd bestudeerd aan zowel RHIC als de ALICE-detector bij de LHC. Zo'n plasma wordt hier op aarde geproduceerd als een krachtige botser, zoals de LHC, versnelt zware ionen, elk met veel protonen en neutronen, en botst deze zware ionen met zoveel energie dat hun protonen en neutronen "smelten" tot hun elementaire bouwstenen - quarks en gluonen - in een plasma van meer dan 100, 000 keer heter dan de kern van onze zon. Deze exploderende "soep" van vrijgekomen quarks en gluonen vormt deeltjes die vervallen in talloze andere deeltjes. De detectorarray identificeert en brengt ze in kaart, zodat nucleaire wetenschappers kunnen reconstrueren wat er is gebeurd en inzicht kunnen krijgen in de collectieve verschijnselen.

Om die overvloed aan deeltjesbotsingen vast te leggen, moest een team van instituten een op maat gemaakte chip ontwikkelen die de grootste gegevens kon digitaliseren en uitlezen. Voer "SAMPA" in. In het hart van ALICE's enorme elektronica-upgrade, deze chip begon als de Ph.D. afstudeerproject van Hugo Hernandez, vervolgens aan de Universiteit van Sao Paolo.

SAMPA-chips en andere elektronische componenten werden verscheept naar Zollner Electronics in Silicon Valley voor montage op printplaten die zijn vervaardigd door elektronicafabrikant TTM Technologies. Het team van elektrotechnici op ORNL Ph.D.-niveau die kritische bijdragen leveren tijdens de elektronica-upgrade - hoofdontwerper Charles Britton met N. Dianne Bull Ezell, Lloyd Klonten, Bruce Warmack en Daniel Simpson ontwikkelden ook een station met hoge doorvoer om de platen in de assemblagefabriek te testen. Terwijl het traditioneel 1 uur kostte om een ​​complexe kaart te diagnosticeren en te debuggen, het geautomatiseerde proces van het ORNL-team deed het in slechts 6 minuten.

"Het was, je zou duizend widgets bestellen, ontvang ze bij Oak Ridge en test ze, Lees haalde herinneringen op. "Je zou de slechte terugsturen naar de fabriek en de goede naar CERN." De ORNL-teststations lieten de assemblagefabriek in kleine "just-in-time" batches rechtstreeks naar CERN verzenden voor een snellere installatie dan mogelijk bij het wachten op grote kavels.

De onderzoekers gaan de BTU kalibreren met kosmische straling. Vervolgens, de verbeterde apparatuur zal klaar zijn voor de LHC Run-3 met hoge helderheid, verwacht in 2021. Er zijn verschillende runs van verschillende botsingsgegevenssets gepland:lead-on-lead, proton-op-lood en proton-op-proton - om opkomende kenmerken van het quark-gluon-plasma te verlichten.

Zelfs een jaar aan verzamelde onbewerkte gegevens zal veel te groot zijn om te archiveren. Het uitleessysteem zift de streaminggegevens op petabyteschaal door deze on-the-fly te verwerken met hardwareversnelling met behulp van veldprogrammeerbare gate-arrays en grafische verwerkingseenheden (GPU's) - beschouwd als een best practice. De gereduceerde gegevens worden via hogesnelheidsnetwerken gedistribueerd naar HPC-centra over de hele wereld, inclusief ORNL's Compute and Data Environment for Science, voor verdere verwerking. Naarmate experimenten groter worden, natuurkundigen pleiten ervoor om ook gecentraliseerde middelen te gebruiken, zoals de Summit-supercomputer van de Oak Ridge Leadership Computing Facility voor GPU-versnelde gegevensverwerking.

"Andere grote experimenten bij de LHC die verschillende deeltjesdetectoren gebruiken, met name ATLAS en CMS, zullen in 2027 en daarna voor dezelfde data-uitdagingen als ALICE worden gesteld, "Zei ALICE-onderzoeker Constantin Loizides van ORNL. "De toonaangevende mogelijkheden van de BTU-elektronica zullen waarschijnlijk ten goede komen aan toekomstige natuurkundige experimenten zoals de geplande elektron-ionenversneller, een topprioriteit voor de Amerikaanse kernfysica."