Essere puntuali è importante - basta chiedere all'amico leporino di Lewis Carroll - e un gruppo che lo sa più di molti altri sono i fisici delle particelle, il cui lavoro ruota attorno al tenere traccia dei punti di velocità della materia vicini alla velocità della luce.

Poiché gli acceleratori di particelle e gli esperimenti sono diventati sempre più complessi e coreografati nel corso dei decenni, la tecnologia dietro le quinte ha dovuto innovare per stare al passo. Un esempio è White Rabbit, un intelligente sistema di temporizzazione e trasferimento dati che sta svolgendo un ruolo chiave nella moderna fisica delle particelle.

"Spingiamo sempre i nostri esperimenti a precisioni sempre più elevate, " disse Angela Fava, scienziato sul rivelatore di neutrini ICARUS del Fermilab e parte del team che esplora White Rabbit al Fermilab. "White Rabbit è davvero utile perché può raggiungere precisioni temporali inferiori a un miliardesimo di secondo."

Tenere il tempo

Nei moderni acceleratori di particelle, molti componenti separati devono essere attivati ​​in sequenza in modo tempestivo per identificare e tracciare le particelle che passano alla velocità della luce. Ciò richiede una sincronizzazione e sistemi di temporizzazione molto precisi per determinare quando dovrebbero verificarsi questi eventi:un timer per uova non lo taglierà qui.

Fino a poco tempo fa, questa tempistica è stata solitamente ottenuta con dispositivi che sono cablati in apparecchiature sperimentali, come il sistema General Machine Timing (GMT) del CERN. Ma GMT ha dei limiti, compresa una larghezza di banda dati ridotta, la capacità di inviare segnali solo in una direzione attraverso la rete, e l'incapacità di autocalibrarsi, per calcolare internamente quanto tempo ha impiegato un segnale per viaggiare, che si traduce in errori di temporizzazione.

Man mano che gli esperimenti crescono in complessità e richiedono un coordinamento di nanosecondi, ai fisici è rimasta la necessità di un sistema universale in grado di fornire la sincronizzazione temporale richiesta ed essere comunque compatibile con i sistemi di più fonti e fornitori già esistenti.

La soluzione è White Rabbit, un sistema open source che si basa su una tecnologia Ethernet comune e accessibile, la stessa tecnologia alla base dell'accesso a Internet cablato. Il sistema funziona come una rete di computer di tutti i giorni, pure, con circuiti chiamati "nodi, " controllato da un programma appositamente scritto.

Fino a circa 1, 000 nodi possono essere collegati in una rete White Rabbit, tutti collegati tra loro da una rete di fibre ottiche – lunga fino a 10 chilometri – per scambiare informazioni. Man mano che la tecnologia si sviluppa, il sistema sarà probabilmente in grado di supportare ancora più nodi separati da distanze maggiori.

Poiché la tempistica precisa è così importante negli esperimenti moderni, Il potere di White Rabbit risiede nella sua capacità di mantenersi sincronizzato, indipendentemente dalla lunghezza del cavo tra i nodi o da altri fattori esterni. Anche variazioni relativamente piccole della temperatura del cavo possono influenzare il tempo di viaggio sulla scala dei nanosecondi, Per esempio.

Un sistema White Rabbit funziona come una gerarchia, dove uno dei nodi di una rete è designato come "master" ed è responsabile di tenere sotto controllo tutti gli altri nodi. Il tempo esterno viene immesso nel master da oscillatori atomici ad alta precisione tramite satelliti GPS orbitanti, la stessa tecnologia su cui si basa la navigazione di Google Maps.

L'ora esatta è collegata digitalmente a puntini di dati, che, Per esempio, includono istruzioni di controllo per gli acceleratori, che volano costantemente intorno alla rete. Inviando i tag di tempo avanti e indietro tra i nodi, che GMT non è in grado di fare, il sistema può calcolare i ritardi di tempo necessari ai dati per viaggiare attraverso i cavi e correggerli, mantenere tutti i nodi sincronizzati con l'ora corretta e garantire che gli eventi sperimentali siano mantenuti coordinati.

Fava e la scienziata Donatella Torretta, insieme a William Badgett al Fermilab, stanno attualmente lavorando per installare White Rabbit in alcuni degli esperimenti del Fermilab, compreso il programma Short-Baseline Neutrino (SBN), che studierà i neutrini – minuscoli, particelle sfuggenti. Il primo utilizzo di White Rabbit in Nord America, il sistema può essere utilizzato per la marcatura temporale dei neutrini dalla loro produzione alla sorgente del fascio fino al rivelatore alla fine dell'esperimento.

Sul rivelatore SBN ICARUS, White Rabbit può anche essere usato per ottenere un'etichettatura estremamente accurata di particelle cosmiche indesiderate che provengono dallo spazio e intralciano l'esperimento, potenzialmente nascondendo le firme dei neutrini.

"Sarebbe possibile far funzionare ICARUS senza White Rabbit, ma è molto più facile se lo usiamo, " disse Fava. "E tutto è anche in tempo reale, quindi risparmia sulla nostra potenza di calcolo e spazio di archiviazione."

White Rabbit è stato concepito per la prima volta intorno al 2008 come una collaborazione internazionale tra CERN, il GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Germania, e altri partner, ed è stato introdotto per potenziare le capacità del Large Hadron Collider.

Dall'inizio, la collaborazione ha reso sia l'hardware che il software per il sistema di cronometraggio apertamente disponibili a chiunque nel mondo. L'attrezzatura fisica può essere acquistata da venditori commerciali, mentre il software è completamente gratuito e facilmente accessibile online.

"Tutti beneficiano quando la scienza è aperta, " disse Torretta, che ha appreso di White Rabbit in un seminario dimostrativo al CERN. "Man mano che la tecnologia si sviluppa, sta diventando sempre più popolare".

Da allora Torretta ha frequentato ulteriori workshop per saperne di più, incluso uno di recente a Barcellona, che è stato organizzato da esperti di White Rabbit del CERN.

Il team di sviluppo del CERN si è anche preso cura di garantire che il design fosse il più generale possibile, in modo da consentire una vasta gamma di applicazioni pratiche per la tecnologia, anche al di fuori della scienza. Un gruppo nei Paesi Bassi ha persino utilizzato White Rabbit per trasmettere l'ora ufficiale tra le città olandesi con una precisione di nanosecondi.