Para um experimento de física nuclear gigantesco que irá gerar grandes volumes de dados a taxas sem precedentes - chamado de experimento de grande colisor de íons, ou ALICE - a Universidade do Tennessee trabalhou com o Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia para liderar um grupo de físicos nucleares dos EUA de um conjunto de instituições no projeto, desenvolvimento, produção em massa e entrega de uma atualização significativa de novos detectores de partículas e eletrônicos de última geração, com peças fabricadas em todo o mundo e agora em instalação no Large Hadron Collider (LHC) do CERN.

"Esta atualização traz recursos totalmente novos para o experimento ALICE, "disse Thomas M. Cormier, diretor de projeto do ALICE Barrel Tracking Upgrade (BTU), que inclui uma revisão eletrônica que está entre as maiores já realizadas pelo Escritório de Física Nuclear do DOE.

ALICE's 1, 917 participantes de 177 institutos e 40 nações estão unidos para tentar entender melhor a natureza da matéria em temperaturas e densidades extremas. Para esse fim, o LHC cria uma sucessão de "pequenas explosões" - amostras de matéria em densidades de energia não vistas no universo desde microssegundos após o Big Bang. Os detectores de ALICE identificam as partículas de alta energia e rastreiam suas trajetórias, interações e decaimentos que produzem partículas filhas de baixa energia, filhas de filhas, e assim por diante. As atualizações permitem que ALICE rastreie partículas de maneira mais eficiente em altas taxas, digitalize seus sinais eletrônicos analógicos fracos continuamente e transmita o tsunami de dados de leitura para centros de computação de alto desempenho (HPC) em todo o mundo para análise.

"Revisar a instrumentação nos permite expandir a janela da ciência que ALICE pode olhar, "disse Cormier, que é um físico da ORNL e professor da Universidade do Tennessee em Knoxville. "Muitas coisas estão esperando para serem descobertas, se apenas tivermos a sensibilidade para vê-las." Combinado com atualizações para o acelerador LHC, o BTU aumentará a sensibilidade dez vezes, permitindo uma maior diferenciação da ciência subjacente.

Concluído antes do prazo e dentro do orçamento, o projeto contou com participantes dos laboratórios nacionais de Oak Ridge (ORNL) e Lawrence Berkeley (LBNL) e sete universidades:Califórnia em Berkeley, Creighton, Houston, Tennessee em Knoxville (UTK), Texas em Austin (UT Austin), Wayne State e Yale.

O esforço de atualização começou em abril de 2015 e terminou em novembro de 2019, entregando um conjunto de detectores e eletrônicos avançados ao CERN. Os pesquisadores prevêem a conclusão das instalações nesta primavera.

Considerando a escala, isso não é tarefa fácil. Situado no subsolo na fronteira franco-suíça, ALICE é mais pesada que a Torre Eiffel. Um ímã de 52 pés de altura é sua porta da frente. Atrás disso, físicos nucleares lançaram um dos maiores instrumentos de barril do mundo, alojando muitos detectores dispostos em cilindros concêntricos. A linha de feixe do LHC passa por seu eixo central.

Um esforço significativo foi feito para melhorar dois sistemas detectores ALICE. Uma é a Câmara de Projeção de Tempo (TPC), um aparelho cilíndrico cheio de gás do tamanho de um ônibus. À medida que as partículas carregadas passam pelo gás, um campo magnético curva seus caminhos, criando trajetórias curvas que revelam seus momentos e massas e, por sua vez, suas identidades. Cada extremidade do cilindro TPC é coberta com dois anéis concêntricos de novas câmaras de leitura interna e externa que recebem a carga de ionização e a amplificam usando um sistema inovador de quatro camadas de folhas de Multiplicador de Elétrons Gasosos perfuradas de micropadrão. Um sistema de quase meio milhão, almofadas em escala milimétrica se espalham pelas extremidades do cilindro TPC para coletar a carga amplificada e criar uma imagem eletrônica das trilhas de partículas carregadas.

O segundo sistema de detector a receber uma atualização é um Sistema de Rastreamento Interno de sete camadas. LBNL colaborou com UT Austin para desenvolver suas camadas intermediárias, que incluem uma estrutura de fibra de carbono forte, mas leve para suportar sete camadas de aduelas segurando 24, 000 sensores de pixel de silício para rastreamento de partículas de alta precisão. Cada pixel tem 30 × 30 micrômetros quadrados - mais fino do que um fio de cabelo humano médio. Este detector terá um total de 12,5 bilhões de pixels - tornando-se a maior "câmera digital" já construída.

Processando o maior dos dados

A atualização aumentou drasticamente o número de eventos por segundo que ALICE pode amostrar e ler. Kenneth Read, gerente de atualização de eletrônicos da BTU, liderou um grande empreendimento em design, fabricação e montagem de hardware eletrônico. Leitura, um físico nuclear experimental com experiência em computação de alto desempenho, possui nomeações conjuntas no ORNL e UTK.

Em última análise, A equipe de Read entregou 3, 276 placas de circuito (mais 426 sobressalentes) para leitura de meio milhão de canais TPC. A atualização eletrônica torna possível digitalizar e distribuir 5 milhões de amostras por segundo por canal.

"A saída de dados ininterrupta totalizando 3 terabytes por segundo fluirá da Câmara de Projeção de Tempo, 24/7, durante a coleta de dados, "Leia explicado." Historicamente, muitos experimentos lidaram com megabyte por segundo, ou mesmo gigabyte por segundo, taxas de dados. O processamento em tempo real de streaming de dados científicos a 3 terabytes por segundo é único no mundo. Este é um problema de big data de proporções imensas. "

Esses dados fornecem um instantâneo do sistema quântico conhecido como plasma de quark-gluon - a matéria do universo primordial descoberto no Colisor de Íons Pesados ​​Relativísticos (RHIC) no Laboratório Nacional de Brookhaven e posteriormente estudado no RHIC e no detector ALICE em o LHC. Esse plasma é produzido aqui na Terra quando um poderoso colisor, como o LHC, acelera íons pesados, cada um contendo muitos prótons e nêutrons, e colide esses íons pesados ​​com tanta energia que seus prótons e nêutrons "derretem" em seus blocos de construção elementares - quarks e glúons - em um plasma de mais de 100, 000 vezes mais quente do que o núcleo do nosso sol. Essa "sopa" explosiva de quarks e glúons liberados forma partículas que se decompõem em uma miríade de outras partículas. O conjunto de detectores os identifica e mapeia para que os cientistas nucleares possam reconstruir o que aconteceu e obter compreensão dos fenômenos coletivos.

A captura dessa abundância de eventos de colisão de partículas exigiu que uma equipe de institutos desenvolvesse um chip personalizado que pudesse digitalizar e ler o maior dos dados. Digite "SAMPA". No centro da atualização massiva de eletrônicos de ALICE, este chip começou como o Ph.D. projeto de tese de Hugo Hernandez, depois na Universidade de São Paulo.

Os chips SAMPA e outros componentes eletrônicos foram enviados para a Zollner Electronics no Vale do Silício para montagem em placas de circuito impresso fabricadas pela gigante de fabricação de eletrônicos TTM Technologies. A equipe de engenheiros elétricos com nível de Ph.D. do ORNL fazendo contribuições críticas ao longo da atualização eletrônica - o designer principal Charles Britton com N. Dianne Bull Ezell, Lloyd Clonts, Bruce Warmack e Daniel Simpson - também desenvolveram uma estação de alto rendimento para testar as placas diretamente na fábrica de montagem. Considerando que tradicionalmente demorava 1 hora para diagnosticar e depurar uma placa complexa, o processo automatizado da equipe ORNL fez isso em apenas 6 minutos.

"Costumava ser, você pediria mil widgets, receba-os em Oak Ridge e teste-os, "Leia lembrado." Você mandava os ruins de volta para a fábrica e os bons para o CERN. "As estações de teste do ORNL permitiam que a fábrica de montagem enviasse as placas de passagem diretamente para o CERN em pequenos lotes" just-in-time " para uma instalação mais rápida do que possível quando se espera em grandes lotes.

Os pesquisadores vão calibrar o BTU usando raios cósmicos. Então, o equipamento atualizado estará pronto para o LHC Run-3 de alta luminosidade, previsto para 2021. Várias execuções de vários conjuntos de dados de colisão estão planejadas - lead-on-lead, próton sobre chumbo e próton sobre próton - para iluminar características emergentes do plasma quark-gluon.

Mesmo um ano de dados brutos coletados será muito grande para arquivar. O sistema de leitura leva os dados de streaming para a escala de petabytes, processando-os em tempo real com aceleração de hardware usando matrizes de portas programáveis ​​em campo e unidades de processamento gráfico (GPUs) - considerada uma prática recomendada. Os dados reduzidos são distribuídos em redes de alta velocidade para centros de HPC em todo o mundo, incluindo o ambiente de computação e dados para ciência do ORNL, para processamento posterior. Conforme os experimentos ficam maiores, físicos constroem o caso para também usar recursos centralizados, como o supercomputador Summit do Oak Ridge Leadership Computing Facility para processamento de dados acelerado por GPU.

"Outros grandes experimentos no LHC usando diferentes detectores de partículas - notavelmente ATLAS e CMS - enfrentarão alguns dos mesmos desafios de dados de ALICE em 2027 e além, "disse o pesquisador do ALICE Constantin Loizides do ORNL." As capacidades líderes mundiais da eletrônica BTU provavelmente beneficiarão futuros experimentos de física, como o planejado colisor elétron-íon, uma prioridade para a física nuclear dos EUA. "