Para un gigantesco experimento de física nuclear que generará grandes volúmenes de datos a un ritmo sin precedentes, llamado A Large Ion Collider Experiment, o ALICE:la Universidad de Tennessee ha trabajado con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía para dirigir a un grupo de físicos nucleares estadounidenses de un conjunto de instituciones en el diseño, desarrollo, producción en masa y entrega de una mejora significativa de nuevos detectores de partículas y electrónica de última generación, con piezas fabricadas en todo el mundo y que ahora se están instalando en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.

"Esta actualización aporta capacidades completamente nuevas al experimento ALICE, "dijo Thomas M. Cormier, director de proyecto de ALICE Barrel Tracking Upgrade (BTU), que incluye una revisión electrónica que se encuentra entre las más grandes jamás emprendidas por la Oficina de Física Nuclear del DOE.

ALICE es 1, 917 participantes de 177 institutos y 40 naciones están unidos para tratar de comprender mejor la naturaleza de la materia a temperaturas y densidades extremas. Con ese fin, el LHC crea una sucesión de "pequeñas explosiones":muestras de materia a densidades de energía no vistas en el universo desde microsegundos después del Big Bang. Los detectores de ALICE identifican las partículas de alta energía y rastrean sus trayectorias, interacciones y desintegraciones que producen partículas hijas de menor energía, hijas de hijas, etcétera. Las actualizaciones permiten a ALICE rastrear partículas de manera más eficiente a altas velocidades, digitalizar sus débiles señales electrónicas analógicas continuamente y transmitir el tsunami de datos de lectura a centros de computación de alto rendimiento (HPC) en todo el mundo para su análisis.

"La revisión de la instrumentación nos permite ampliar la ventana de la ciencia que ALICE puede analizar, "dijo Cormier, quien es físico en ORNL y profesor en la Universidad de Tennessee en Knoxville. "Hay muchas cosas esperando ser descubiertas si solo tenemos la sensibilidad para verlas". Combinado con actualizaciones al acelerador LHC, el BTU aumentará la sensibilidad diez veces, permitiendo una mayor diferenciación de la ciencia subyacente.

Completado antes de lo previsto y por debajo del presupuesto, el proyecto contó con participantes de los Laboratorios Nacionales Oak Ridge (ORNL) y Lawrence Berkeley (LBNL) del DOE y siete universidades:California en Berkeley, Creighton, Houston, Tennessee en Knoxville (UTK), Texas en Austin (UT Austin), Wayne State y Yale.

El esfuerzo de actualización comenzó en abril de 2015 y finalizó en noviembre de 2019. entregando un conjunto de detectores y electrónicos avanzados al CERN. Los investigadores anticipan la finalización de las instalaciones esta primavera.

Considerando la escala, Esto no es tarea fácil. Situado bajo tierra en la frontera franco-suiza, ALICE es más pesada que la Torre Eiffel. Un imán de 52 pies de altura es su puerta de entrada. Detrás de eso, Los físicos nucleares han lanzado uno de los instrumentos de barril más grandes del mundo, albergando muchos detectores dispuestos en cilindros concéntricos. La línea del haz del LHC pasa por su eje central.

Se realizó un esfuerzo significativo para mejorar dos sistemas detectores ALICE. Uno es la cámara de proyección de tiempo (TPC), un aparato cilíndrico lleno de gas del tamaño de un autobús lanzadera. A medida que las partículas cargadas atraviesan el gas, un campo magnético dobla sus caminos, creando trayectorias curvas que revelan sus momentos y masas y, Sucesivamente, sus identidades. Cada tapa de extremo del cilindro de TPC está cubierta con dos anillos concéntricos de nuevas cámaras de lectura internas y externas que reciben la carga de ionización y la amplifican utilizando un innovador sistema de cuatro capas de láminas de multiplicador de electrones gaseosos perforadas con micropatrón. Un sistema de casi medio millón, almohadillas de escala milimétrica se esparcen por los extremos del cilindro de TPC para recolectar la carga amplificada y crear una imagen electrónica de las pistas de partículas cargadas.

El segundo sistema de detección que recibe una actualización es un sistema de seguimiento interno de siete capas. LBNL colaboró ​​con UT Austin para desarrollar sus capas intermedias, que incluyen un marco de fibra de carbono resistente pero liviano para soportar siete capas de duelas que sostienen 24, 000 sensores de píxeles de silicio para un seguimiento de partículas de alta precisión. Cada píxel tiene 30 × 30 micrómetros cuadrados, más fino que un cabello humano promedio. Este detector tendrá un total de 12.5 mil millones de píxeles, lo que la convierte en la "cámara digital" más grande jamás construida.

Procesando la mayor cantidad de datos

La actualización aumentó drásticamente la cantidad de eventos por segundo que ALICE puede muestrear y leer. Kenneth Read, gerente de actualización de la electrónica de BTU, lideró una gran empresa de diseño, fabricación y montaje de hardware electrónico. Leer, un físico nuclear experimental con experiencia en computación de alto rendimiento, tiene nombramientos conjuntos en ORNL y UTK.

Por último, El equipo de Read entregó 3, 276 placas de circuito (más 426 de repuesto) para la lectura del medio millón de canales TPC. La actualización de la electrónica permite digitalizar y distribuir 5 millones de muestras por segundo por canal.

"La salida de datos ininterrumpida por un total de 3 terabytes por segundo fluirá desde la cámara de proyección de tiempo, 24 horas al día, 7 días a la semana, durante la toma de datos, "Leer explicado". Históricamente, muchos experimentos se han ocupado de megabytes por segundo, o incluso gigabytes por segundo, tasas de transferencia de datos. El procesamiento en tiempo real de la transmisión de datos científicos a 3 terabytes por segundo se acerca a algo único en el mundo. Este es un problema de big data de inmensas proporciones ".

Esos datos proporcionan una instantánea del sistema cuántico conocido como plasma de quarks-gluones, la materia del universo temprano descubierto por primera vez en el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y posteriormente estudiado tanto en el RHIC como en el detector ALICE en el LHC. Tal plasma se produce aquí en la Tierra cuando un poderoso colisionador, como el LHC, acelera los iones pesados, cada uno contiene muchos protones y neutrones, y choca estos iones pesados ​​con tanta energía que sus protones y neutrones se "funden" en sus bloques de construcción elementales, quarks y gluones, en un plasma de más de 100, 000 veces más caliente que el núcleo de nuestro sol. Esta "sopa" explosiva de quarks y gluones liberados forma partículas que se descomponen en una miríada de otras partículas. La matriz de detectores los identifica y los mapea para que los científicos nucleares puedan reconstruir lo que sucedió y comprender los fenómenos colectivos.

La captura de esa plétora de eventos de colisión de partículas requirió que un equipo de institutos desarrollara un chip personalizado que pudiera digitalizar y leer los datos más grandes. Ingrese "SAMPA". En el corazón de la enorme actualización electrónica de ALICE, este chip comenzó como el Ph.D. proyecto de tesis de Hugo Hernandez, luego en la Universidad de Sao Paolo.

Los chips SAMPA y otros componentes electrónicos se enviaron a Zollner Electronics en Silicon Valley para su ensamblaje en placas de circuito impreso fabricadas por el gigante de fabricación de productos electrónicos TTM Technologies. El equipo de ingenieros eléctricos con nivel de doctorado de ORNL que realizaron contribuciones críticas a lo largo de la actualización de la electrónica:el diseñador principal Charles Britton con N. Dianne Bull Ezell, Lloyd Clonts, Bruce Warmack y Daniel Simpson:también desarrollaron una estación de alto rendimiento para probar las placas directamente en la fábrica de ensamblaje. Mientras que tradicionalmente se tardaba 1 hora en diagnosticar y depurar una placa compleja, El proceso automatizado del equipo de ORNL lo hizo en tan solo 6 minutos.

"Solía ​​ser, pedirías mil widgets, recíbelos en Oak Ridge y pruébalos, "Leer recordando." Enviarías las malas a la fábrica y las buenas al CERN. "Las estaciones de prueba ORNL permitieron a la fábrica de ensamblaje enviar placas de paso directamente al CERN en pequeños lotes" justo a tiempo ". para una instalación más rápida de lo posible cuando se espera en lotes grandes.

Los investigadores calibrarán el BTU utilizando rayos cósmicos. Luego, el equipo actualizado estará listo para el LHC Run-3 de alta luminosidad, anticipado en 2021. Se planean varias ejecuciones de varios conjuntos de datos de colisión:plomo sobre plomo, protón sobre plomo y protón sobre protón:para iluminar las características emergentes del plasma de quark-gluón.

Incluso un año de datos brutos recopilados será demasiado grande para archivar. El sistema de lectura reduce los datos de transmisión a una escala de petabytes procesándolos sobre la marcha con aceleración de hardware utilizando arreglos de puertas programables en campo y unidades de procesamiento de gráficos (GPU), lo que se considera una práctica recomendada. Los datos reducidos se distribuyen a través de redes de alta velocidad a los centros de HPC de todo el mundo, incluido el entorno informático y de datos para la ciencia de ORNL, para su posterior procesamiento. A medida que los experimentos se hacen más grandes, Los físicos argumentan a favor del uso también de recursos centralizados, como la supercomputadora Summit de Oak Ridge Leadership Computing Facility para el procesamiento de datos acelerado por GPU.

"Otros grandes experimentos en el LHC que utilizan diferentes detectores de partículas, en particular ATLAS y CMS, enfrentarán algunos de los mismos desafíos de datos que ALICE en 2027 y más allá, "dijo el investigador de ALICE Constantin Loizides de ORNL." Las capacidades líderes en el mundo de la electrónica BTU probablemente beneficiarán a futuros experimentos de física como el colisionador de electrones-iones planeado, una de las principales prioridades de la física nuclear de Estados Unidos ".