Per un gigantesco esperimento di fisica nucleare che genererà big data a velocità senza precedenti, chiamato A Large Ion Collider Experiment, o ALICE:l'Università del Tennessee ha collaborato con l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'energia per guidare un gruppo di fisici nucleari statunitensi da una serie di istituzioni nella progettazione, sviluppo, produzione di massa e consegna di un aggiornamento significativo di nuovi rilevatori di particelle e di elettronica all'avanguardia, con parti costruite in tutto il mondo e ora in fase di installazione presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN.

"Questo aggiornamento apporta funzionalità completamente nuove all'esperimento ALICE, " ha detto Thomas M. Cormier, direttore del progetto dell'ALICE Barrel Tracking Upgrade (BTU), che include una revisione dell'elettronica che è tra le più grandi mai intraprese dall'Office of Nuclear Physics del DOE.

1 di ALICE, 917 partecipanti provenienti da 177 istituti e 40 nazioni sono uniti nel tentativo di comprendere meglio la natura della materia a temperature e densità estreme. A quello scopo, l'LHC crea una successione di "piccoli scoppi", campioni di materia a densità di energia che non si vedevano nell'universo dai microsecondi dopo il Big Bang. I rilevatori di ALICE identificano le particelle ad alta energia e tracciano le loro traiettorie, interazioni e decadimenti che producono particelle figlie a bassa energia, figlie di figlie, e così via. Gli aggiornamenti consentono ad ALICE di tracciare in modo più efficiente le particelle a velocità elevate, digitalizzare continuamente i loro deboli segnali elettronici analogici e trasmettere lo tsunami di dati di lettura ai centri di calcolo ad alte prestazioni (HPC) in tutto il mondo per l'analisi.

"La revisione della strumentazione ci consente di espandere la finestra della scienza che ALICE può guardare, "disse Cormier, che è un fisico all'ORNL e professore all'Università del Tennessee a Knoxville. "Un sacco di cose stanno aspettando di essere scoperte se solo abbiamo la sensibilità per vederle." In combinazione con gli aggiornamenti dell'acceleratore LHC, il BTU aumenterà la sensibilità di dieci volte, consentendo una maggiore differenziazione della scienza sottostante.

Completato prima del previsto e sotto budget, il progetto si è basato sui partecipanti dei laboratori nazionali DOE di Oak Ridge (ORNL) e Lawrence Berkeley (LBNL) e di sette università:California a Berkeley, Creighton, Houston, Tennessee a Knoxville (UTK), Texas ad Austin (UT Austin), Wayne State e Yale.

Lo sforzo di aggiornamento è iniziato nell'aprile 2015 e si è concluso nel novembre 2019, consegnando una suite di rivelatori avanzati ed elettronica al CERN. I ricercatori prevedono il completamento delle installazioni questa primavera.

Considerando la scala, questa non è un'impresa facile. Situato nel sottosuolo al confine franco-svizzero, ALICE è più pesante della Torre Eiffel. Un magnete alto 52 piedi è la sua porta d'ingresso. Dietro, i fisici nucleari hanno lanciato uno dei più grandi strumenti a barile del mondo, alloggiando numerosi rivelatori disposti in cilindri concentrici. La linea del raggio di LHC attraversa il suo asse centrale.

Sforzi significativi sono stati dedicati al miglioramento di due sistemi di rilevamento ALICE. Uno è la camera di proiezione temporale (TPC), un apparato cilindrico riempito di gas delle dimensioni di un bus navetta. Man mano che le particelle cariche attraversano il gas, un campo magnetico piega i loro percorsi, creando traiettorie curve che ne rivelano i momenti e le masse e, a sua volta, le loro identità. Ciascun cappuccio terminale del cilindro TPC è ricoperto da due anelli concentrici di nuove camere di lettura interna ed esterna che ricevono la carica di ionizzazione e la amplificano utilizzando un innovativo sistema a quattro strati di lamine perforate del moltiplicatore di elettroni gassosi micro-modello. Un sistema di quasi mezzo milione, cuscinetti in scala millimetrica si diffondono attraverso le estremità del cilindro TPC per raccogliere la carica amplificata e creare un'immagine elettronica delle tracce delle particelle cariche.

Il secondo sistema di rilevamento a ricevere un aggiornamento è un sistema di tracciamento interno a sette strati. LBNL ha collaborato con UT Austin per sviluppare i suoi strati intermedi, che includono un telaio in fibra di carbonio resistente ma leggero per supportare sette strati di doghe che contengono 24, 000 sensori di pixel in silicio per il tracciamento di particelle ad alta precisione. Ogni pixel è di 30 × 30 micrometri quadrati, più fine di un capello umano medio. Questo rilevatore avrà un totale di 12,5 miliardi di pixel, il che lo rende la più grande "fotocamera digitale" mai costruita.

Elaborazione dei dati più grandi

L'aggiornamento ha notevolmente aumentato il numero di eventi al secondo che ALICE può campionare e leggere. Kenneth Leggi, responsabile dell'aggiornamento dell'elettronica di BTU, ha condotto una grande impresa nel design, fabbricazione e assemblaggio di hardware elettronico. Leggi, un fisico nucleare sperimentale con esperienza nel calcolo ad alte prestazioni, ricopre incarichi congiunti presso ORNL e UTK.

In definitiva, Il team di Read ha consegnato 3, 276 schede elettroniche (più 426 di ricambio) per la lettura del mezzo milione di canali TPC. L'aggiornamento dell'elettronica consente di digitalizzare e distribuire 5 milioni di campioni al secondo per canale.

"L'output di dati non-stop per un totale di 3 terabyte al secondo fluirà dalla camera di proiezione del tempo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7, durante l'acquisizione dei dati, " Leggi spiegato. "Storicamente, molti esperimenti hanno avuto a che fare con megabyte al secondo, o anche gigabyte al secondo, velocità dati. L'elaborazione in tempo reale di dati scientifici in streaming a 3 terabyte al secondo si sta avvicinando all'unico al mondo. Questo è un problema di big data di proporzioni immense".

Questi dati forniscono un'istantanea del sistema quantistico noto come plasma di quark-gluoni, la materia dell'universo primordiale scoperta per la prima volta al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) al Brookhaven National Laboratory e successivamente studiata sia al RHIC che al rivelatore ALICE di l'LHC. Un tale plasma viene prodotto qui sulla Terra quando un potente collisore, come l'LHC, accelera gli ioni pesanti, ciascuno contenente molti protoni e neutroni, e fa scontrare questi ioni pesanti con così tanta energia che i loro protoni e neutroni "si sciolgono" nei loro blocchi elementari - quark e gluoni - in un plasma più di 100, 000 volte più caldo del nucleo del nostro sole. Questa "zuppa" esplosiva di quark e gluoni liberati forma particelle che decadono in una miriade di altre particelle. L'array di rivelatori li identifica e li mappa in modo che gli scienziati nucleari possano ricostruire cosa è successo e ottenere la comprensione dei fenomeni collettivi.

Catturare quella pletora di eventi di collisione di particelle ha richiesto a un team di istituti di sviluppare un chip su misura in grado di digitalizzare e leggere i dati più grandi. Inserisci "SAMPA". Al centro del massiccio aggiornamento dell'elettronica di ALICE, questo chip è iniziato come il dottorato di ricerca. progetto di tesi di Hugo Hernandez, poi all'Università di San Paolo.

I chip SAMPA e altri componenti elettronici sono stati spediti a Zollner Electronics nella Silicon Valley per l'assemblaggio su circuiti stampati fabbricati dal gigante della produzione elettronica TTM Technologies. Il team di ingegneri elettrici di livello ORNL Ph.D. che fornisce contributi critici durante l'aggiornamento dell'elettronica:il progettista capo Charles Britton con N. Dianne Bull Ezell, Lloyd Clonts, Bruce Warmack e Daniel Simpson hanno anche sviluppato una stazione ad alto rendimento per testare le schede direttamente nella fabbrica di assemblaggio. Considerando che tradizionalmente ci voleva 1 ora per diagnosticare ed eseguire il debug di una scheda complessa, il processo automatizzato del team ORNL lo ha fatto in soli 6 minuti.

"Una volta era, ordineresti mille widget, riceverli a Oak Ridge e provarli, "Leggi un ricordo. "Rispediresti quelli cattivi alla fabbrica e quelli buoni al CERN." Le stazioni di prova ORNL hanno permesso alla fabbrica di assemblaggio di spedire le schede di passaggio direttamente al CERN in piccoli lotti "just-in-time" per un'installazione più rapida del possibile durante l'attesa su lotti di grandi dimensioni.

I ricercatori calibreranno il BTU usando i raggi cosmici. Quindi, l'attrezzatura aggiornata sarà pronta per l'LHC Run-3 ad alta luminosità, previsto nel 2021. Sono previste diverse esecuzioni di vari set di dati sulle collisioni:lead-on-lead, protone su piombo e protone su protone, per illuminare le caratteristiche emergenti del plasma di quark e gluoni.

Anche un anno di dati grezzi raccolti sarà troppo grande per essere archiviato. Il sistema di lettura vaglia i dati in streaming su scala petabyte elaborandoli al volo con l'accelerazione hardware utilizzando array di porte programmabili sul campo e unità di elaborazione grafica (GPU), considerata una best practice. I dati ridotti vengono distribuiti su reti ad alta velocità ai centri HPC in tutto il mondo, incluso Compute and Data Environment for Science di ORNL, per ulteriori elaborazioni. Man mano che gli esperimenti diventano più grandi, i fisici costruiscono il caso per l'utilizzo anche di risorse centralizzate, come il supercomputer Summit dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility per l'elaborazione dei dati con accelerazione GPU.

"Altri grandi esperimenti all'LHC che utilizzano diversi rilevatori di particelle, in particolare ATLAS e CMS, affronteranno alcune delle stesse sfide di dati di ALICE nel 2027 e oltre, " ha affermato il ricercatore di ALICE Constantin Loizides dell'ORNL. "Le capacità leader mondiali dell'elettronica BTU andranno probabilmente a beneficio di futuri esperimenti di fisica come il pianificato collisore elettrone-ione, una priorità assoluta per la fisica nucleare degli Stati Uniti."