Llegar a tiempo es importante, solo pregúntele al amigo leporino de Lewis Carroll, y un grupo que sabe esto más que la mayoría son los físicos de partículas, cuyo trabajo gira en torno a realizar un seguimiento de los destellos de la materia a velocidad cercana a la luz.

A medida que los aceleradores de partículas y los experimentos se han vuelto cada vez más complejos y coreografiados a lo largo de las décadas, la tecnología detrás de escena ha tenido que innovar para mantenerse al día. Un ejemplo de ello es White Rabbit, un inteligente sistema de transferencia de datos y sincronización que está desempeñando un papel clave en la física de partículas moderna.

"Siempre estamos llevando nuestros experimentos a precisiones cada vez más altas, "dijo Angela Fava, científico del detector de neutrinos ICARUS de Fermilab y parte del equipo que explora White Rabbit en Fermilab. "White Rabbit es realmente útil porque puede alcanzar precisiones de tiempo de menos de una milmillonésima de segundo".

Manteniendo el tiempo

En los aceleradores de partículas modernos, muchos componentes separados deben activarse en secuencia de manera oportuna para identificar y rastrear las partículas que pasan a la velocidad de la luz. Esto requiere sistemas de sincronización y cronometraje muy precisos para determinar cuándo deben ocurrir estos eventos; un temporizador de huevos no lo cortará aquí.

Hasta hace poco, esta sincronización se ha logrado generalmente con dispositivos que están cableados en equipos experimentales, como el sistema General Machine Timing (GMT) del CERN. Pero GMT tiene limitaciones, incluyendo un ancho de banda de datos bajo, la capacidad de enviar señales en un solo sentido a través de la red, y la incapacidad de autocalibrarse, para calcular internamente cuánto tiempo ha tardado en viajar una señal, lo que da lugar a errores de sincronización.

A medida que los experimentos aumentan en complejidad y requieren una coordinación de nanosegundos, Los físicos se han quedado con la necesidad de un sistema único para todos que pueda proporcionar la sincronización de tiempo requerida y aún ser compatible con sistemas de múltiples fuentes y proveedores que ya existen.

La solución es White Rabbit, un sistema de código abierto que se basa en tecnología Ethernet común y accesible, la misma tecnología detrás del acceso a Internet por cable. El sistema funciona como una red de computadoras cotidiana, también, con placas de circuito llamadas "nodos, "controlado por un programa especialmente escrito.

Hasta alrededor de 1, 000 nodos se pueden vincular en una red White Rabbit, todos conectados entre sí por una red de fibras ópticas, de hasta 10 kilómetros de largo, para intercambiar información. A medida que se desarrolla la tecnología, Es probable que el sistema admita aún más nodos separados por distancias mayores.

Dado que la sincronización precisa es tan importante en los experimentos modernos, El poder de White Rabbit proviene de su capacidad para mantenerse sincronizado, no importa la longitud del cable entre los nodos u otros factores externos. Incluso cambios relativamente pequeños en la temperatura del cable pueden afectar el tiempo de viaje en la escala de nanosegundos, por ejemplo.

Un sistema White Rabbit funciona como una jerarquía, donde uno de los nodos de una red se designa como "maestro" y es responsable de mantener a todos los demás nodos bajo control. El tiempo externo se alimenta al maestro desde osciladores atómicos de alta precisión a través de satélites GPS en órbita, la misma tecnología en la que se basa la navegación de Google Maps.

Esta hora exacta se adjunta digitalmente a señales de datos, que, por ejemplo, incluyen instrucciones de control para aceleradores, que vuelan constantemente por la red. Al enviar las etiquetas de tiempo de ida y vuelta entre nodos, que GMT no puede hacer, el sistema puede calcular los retrasos que tardan los datos en viajar a través de los cables y corregirlos, manteniendo todos los nodos sincronizados con la hora correcta y asegurando que los eventos experimentales se mantengan coordinados.

Fava y la científica Donatella Torretta, junto con William Badgett en Fermilab, actualmente están trabajando en la instalación de White Rabbit en algunos de los experimentos de Fermilab, incluido el Programa de neutrinos de referencia corta (SBN), que estudiará los neutrinos - diminutos, partículas esquivas. El primer uso de White Rabbit en Norteamérica, el sistema se puede utilizar para marcar el tiempo de los neutrinos desde su producción en la fuente del haz hasta el detector al final del experimento.

En el detector SBN ICARUS, White Rabbit también se puede utilizar para obtener un etiquetado extremadamente preciso de partículas cósmicas no deseadas que vienen del espacio y se interponen en el camino del experimento. potencialmente ocultando las firmas de neutrinos.

"Sería posible ejecutar ICARUS sin White Rabbit, pero es mucho más fácil si lo usamos, ", dijo Fava." Y también todo en tiempo real, por lo que ahorra en nuestra capacidad de cómputo y almacenamiento ".

White Rabbit se concibió por primera vez alrededor de 2008 como una colaboración internacional entre el CERN, el Centro GSI Helmholtz de Investigación de Iones Pesados ​​en Alemania, y otros socios, y fue introducido para potenciar las habilidades del Gran Colisionador de Hadrones.

Desde el principio, la colaboración ha hecho que tanto el hardware como el software del sistema de cronometraje estén disponibles de forma abierta para cualquier persona en todo el mundo. El equipo físico se puede comprar a proveedores comerciales, mientras que el software es completamente gratuito y de fácil acceso en línea.

"Todos se benefician cuando la ciencia está abierta, "dijo Torretta, que aprendió sobre White Rabbit en un taller de demostración en el CERN. "A medida que se desarrolla la tecnología, se está volviendo cada vez más popular ".

Desde entonces, Torretta ha asistido a más talleres para aprender más, incluyendo uno recientemente en Barcelona, que fue organizado por expertos de White Rabbit del CERN.

El equipo de desarrollo del CERN también se encargó de garantizar que el diseño fuera lo más general posible. para permitir una amplia gama de aplicaciones prácticas para la tecnología, incluso fuera de la ciencia. Un grupo de los Países Bajos incluso ha utilizado White Rabbit para transmitir la hora oficial entre ciudades holandesas con precisiones de nanosegundos.