粒子探测器和电子设备的重大升级为欧洲核子研究中心的数据海啸实验做准备

时间:2020-06-16 17:45 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

粒子探测器和电子设备的重大升级为欧洲核子研究中心的数据海啸实验做准备 对于一个庞大的核物理实验,将产生大数据以前所未有的rates-called大型离子对撞机实验中,或是爱丽丝田纳西大学曾与美国能源部橡树岭国家实验室领导一群美国核科学家从一套机构的设计、开发、大规模生产和交付的重要升级小说粒子探测器和先进的电子产品,它的部件遍布世界各地,目前正在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)进行安装。 “这次升级为爱丽丝实验带来了全新的能力,”爱丽丝桶跟踪升级(BTU)项目主任托马斯·m·科米尔(Thomas M. Cormier)说。 爱丽丝的1917名参与者来自177个研究机构和40个国家,他们团结一致,试图更好地理解极端温度和密度下物质的性质。为此,大型强子对撞机制造了一系列的“小爆炸”——以宇宙大爆炸后几微秒以来从未见过的能量密度的物质样本。ALICE的探测器识别高能粒子并跟踪它们的轨迹、相互作用和衰变,从而产生低能量的子粒子、子粒子的子粒子,等等。这些升级使ALICE能够更有效地以高速率跟踪粒子,不断地将它们微弱的模拟电子信号数字化,并将大量的读出数据传送到世界各地的高性能计算(HPC)中心进行分析。 Cormier是ORNL的物理学家和诺克斯维尔田纳西大学的教授。“如果我们有足够的敏感度去发现它们,就会有很多东西等着我们去发现。”与LHC加速器的升级相结合,BTU将使灵敏度提高10倍,使基础科学更加分化。 该项目提前完成,并在预算之内完成,项目的参与者来自能源部的橡树岭(ORNL)和劳伦斯伯克利(LBNL)国家实验室和七所大学:加州伯克利,克赖顿,休斯顿,田纳西州的诺克斯维尔(UTK),得克萨斯州的奥斯汀(UT Austin),韦恩州立大学和耶鲁大学。 升级工作始于2015年4月,于2019年11月结束,向欧洲核子研究中心交付了一套先进的探测器和电子设备。研究人员预计今年春天安装完成。 粒子探测器和电子设备的重大升级为欧洲核子研究中心的数据海啸实验做准备 考虑到规模,这并非易事。爱丽丝位于法国和瑞士边境的地下,比埃菲尔铁塔还重。一个52英尺高的磁铁是它的前门。在它的背后,核物理学家已经推出了世界上最大的桶形仪器之一,许多探测器被安置在同心圆筒中。大型强子对撞机的束线穿过它的中轴。 在改进两个ALICE探测系统上做了大量的工作。一种是时间投影室(TPC),这是一种充满气体的圆柱形装置,大小相当于一辆穿梭巴士。当带电粒子在气体中加速时,磁场改变了它们的路径,创造出弯曲的轨迹,揭示了它们的动量和质量,进而揭示了它们的特性。TPC圆柱体的每个端盖上都覆盖着两个同心圆环,这两个同心圆环由新颖的内外读出腔组成,它们接收电离电荷,并使用一种创新的四层系统——微穿孔气体电子倍增器箔对其进行放大。一个近50万个毫米级的系统横跨TPC圆柱体的两端,收集放大的电荷,并创建带电粒子轨迹的电子图像。 第二个接收升级的探测器系统是一个七层的内部跟踪系统。LBNL与德州大学奥斯汀分校(UT Austin)合作开发了中间层,其中包括一个强度高但重量轻的碳纤维框架,用于支撑7层支撑杆,支撑24000个硅像素传感器,用于高精度粒子跟踪。每个像素都是30×30微米的正方形,比一般人的头发还要细。这个探测器总共有125亿个像素,是有史以来最大的“数码相机”。 处理最大的数据 升级极大地增加了每秒ALICE可以采样和读出的事件数量。BTU电子升级部门经理肯尼斯·里德(Kenneth Read)在电子硬件的设计、制造和组装方面领导了一项巨大的工程。里德是一名实验核物理学家,在高性能计算方面有专长,他在ORNL和UTK拥有联合任命。 最终,Read的团队交付了3276块电路板(外加426个备件),用于50万个TPC通道的读出。电子设备的升级使得每一通道每秒可以数字化和分发500万个样品。 粒子探测器和电子设备的重大升级为欧洲核子研究中心的数据海啸实验做准备 里德解释说:“在数据采集期间,时间投影室将24/7不间断地输出总计为3tb / s的数据。”“历史上,很多实验都是处理每秒兆字节,甚至每秒千兆字节的数据速率。以3tb / s的速度实时处理流科学数据在世界上是独一无二的。这是一个巨大的数据问题。” 这些数据提供了被称为夸克-胶子等离子体的量子系统的快照,夸克-胶子等离子体是在布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)上首次发现的宇宙早期物质,随后在RHIC和LHC的爱丽丝探测器上进行了研究。这种等离子体是在地球上,当一个强大的对撞机产生,如大型强子对撞机,加速重离子,每个都包含许多质子和中子,这些重离子碰撞如此多的能量,他们的质子和中子“融化”到小学建筑blocks-quarks和中的胶子等离子体温度比100000倍太阳的核心。这种由被释放的夸克和胶子组成的爆炸“汤”会形成粒子,这些粒子会衰变为无数的其他粒子。探测器阵列识别并映射它们,这样核科学家就可以重建发生了什么,并获得对集体现象的理解。 捕获如此多的粒子碰撞事件需要一组研究机构来开发一种定制芯片,这种芯片可以数字化并读出最大的数据。输入“SAMPA。”在ALICE大规模电子升级的核心,这个芯片开始于Hugo Hernandez的博士论文项目,当时在圣保罗大学。 SAMPA芯片和其他电子元件被运到硅谷的Zollner电子公司,组装到电子制造业巨头TTM技术公司制造的印刷电路板上。ORNL博士级别的电子工程师团队在整个电子升级过程中做出了重要贡献——首席设计师Charles Britton和N. Dianne Bull Ezell、Lloyd Clonts、Bruce Warmack和Daniel simps——还开发了一个高通量工作站来测试组装工厂的电路板。传统上,诊断和调试一个复杂的电路板需要1个小时,而ORNL团队的自动化过程只需要6分钟。 “过去是这样的,你会订购1000件小部件,在橡树岭(Oak Ridge)收到,然后测试,”里德回忆说。“你会把坏的送回工厂,把好的送到欧洲核子研究中心。”ORNL测试站允许装配工厂将合格的电路板以“准时”的小批量直接运送到欧洲核子研究中心,以便在等待大量生产时能够更快地安装。 粒子探测器和电子设备的重大升级为欧洲核子研究中心的数据海啸实验做准备 研究人员将使用宇宙射线校准BTU。然后,升级后的设备将为高亮度LHC Run-3做好准备,预计2021年投入使用。为了阐明夸克胶子等离子体的突现特性,各种碰撞数据集的几次运行分别是计划铅对铅、质子对铅和质子对质子。 即使是一年收集的原始数据也会因为太大而无法归档。读出系统通过使用现场可编程门阵列和图形处理单元(gpu)进行硬件加速处理,将流数据筛选到pb级,这被认为是最佳实践。减少的数据通过高速网络分布到世界各地的HPC中心,包括ORNL的计算和科学数据环境,以便进一步处理。随着实验规模的扩大,物理学家们也开始考虑使用集中化的资源,比如橡树岭领导计算中心(Oak Ridge Leadership Computing Facility)用于gpu加速数据处理的Summit超级计算机。 “在大型强子对撞机上使用不同的粒子探测器进行的其他大型实验——特别是ATLAS和cms——将在2027年及以后面临一些与ALICE相同的数据挑战,”ORNL的ALICE研究员Constantin Loizides说。“BTU电子学的世界领先能力可能会使未来的物理实验受益,比如计划中的电子-离子对撞机,这是美国核物理学的重中之重。”
当前位置:主页 > 科学知识 >

声明:本文小可爱科技知识网整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/kexue/lztcqhdzsbdzdsjwozhzyjzxdsjhxsyzzb.html

围观: 次 | 责任编辑:小可爱科技知识网



回到顶部