Être à l'heure est important - il suffit de demander à l'ami léporine de Lewis Carroll - et un groupe qui le sait plus que la plupart sont les physiciens des particules, dont le travail tourne autour du suivi des impulsions de la matière à la vitesse proche de la lumière.

Alors que les accélérateurs de particules et les expériences sont devenus de plus en plus complexes et chorégraphiés au fil des décennies, la technologie dans les coulisses a dû innover pour suivre le rythme. Un tel exemple est White Rabbit, un système intelligent de synchronisation et de transfert de données qui joue un rôle clé dans la physique des particules moderne.

"Nous poussons toujours nos expériences à des précisions de plus en plus élevées, " dit Angela Fava, scientifique sur le détecteur de neutrinos ICARUS du Fermilab et membre de l'équipe explorant White Rabbit au Fermilab. "White Rabbit est vraiment utile car il peut atteindre des précisions temporelles inférieures au milliardième de seconde."

Garder le temps

Dans les accélérateurs de particules modernes, de nombreux composants séparés doivent être activés en séquence en temps opportun pour identifier et suivre les particules passant à la vitesse de la lumière. Cela nécessite des systèmes de synchronisation et de minutage très précis pour déterminer quand ces événements doivent se produire - un sablier ne le coupera pas ici.

Jusque récemment, ce timing a généralement été atteint avec des dispositifs qui sont câblés dans un équipement expérimental, comme le système General Machine Timing (GMT) du CERN. Mais GMT a des limites, y compris une faible bande passante de données, la capacité de n'envoyer des signaux que dans un sens à travers le réseau, et une incapacité à s'auto-étalonner - pour calculer en interne combien de temps un signal a mis à voyager - ce qui entraîne des erreurs de synchronisation.

À mesure que les expériences deviennent de plus en plus complexes et nécessitent une coordination à la nanoseconde, les physiciens se sont retrouvés avec le besoin d'un système unique capable de fournir la synchronisation temporelle requise tout en étant compatible avec les systèmes de plusieurs sources et fournisseurs déjà en place.

La solution est le lapin blanc, un système open source qui s'appuie sur la technologie Ethernet commune et accessible - la même technologie derrière l'accès Internet filaire. Le système fonctionne un peu comme un réseau informatique de tous les jours, trop, avec des circuits imprimés appelés "nœuds, " contrôlé par un programme spécialement écrit.

Jusqu'à environ 1, 000 nœuds peuvent être reliés dans un réseau White Rabbit, tous reliés entre eux par un réseau de fibres optiques – jusqu'à 10 kilomètres de long – pour échanger des informations. Au fur et à mesure que la technologie évolue, le système sera probablement capable de prendre en charge encore plus de nœuds séparés par de plus grandes distances.

Étant donné que le timing précis est si important dans les expériences modernes, Le pouvoir de White Rabbit réside dans sa capacité à se synchroniser, quelle que soit la longueur du câble entre les nœuds ou d'autres facteurs externes. Même des changements relativement faibles de la température du câble peuvent affecter le temps de trajet à l'échelle de la nanoseconde, par exemple.

Un système White Rabbit fonctionne un peu comme une hiérarchie, où l'un des nœuds d'un réseau est désigné comme « maître » et est chargé de contrôler tous les autres nœuds. L'heure externe est introduite dans le maître à partir d'oscillateurs atomiques de haute précision via des satellites GPS en orbite, la même technologie sur laquelle est basée la navigation Google Maps.

Cette heure exacte est numériquement attachée à des points de données - qui, par exemple, inclure des instructions de contrôle pour les accélérateurs - qui volent constamment autour du réseau. En envoyant les étiquettes de temps dans les deux sens entre les nœuds, ce que GMT n'est pas en mesure de faire, le système peut calculer les délais nécessaires pour que les données traversent les câbles et les corriger, maintenir tous les nœuds en synchronisation avec l'heure correcte et s'assurer que les événements expérimentaux sont maintenus coordonnés.

Fava et la scientifique Donatella Torretta, avec William Badgett au Fermilab, travaillent actuellement à l'installation de White Rabbit dans certaines des expériences du Fermilab, y compris le programme Short-Baseline Neutrino (SBN), qui étudiera les neutrinos – minuscules, particules insaisissables. La première utilisation du lapin blanc en Amérique du Nord, le système peut être utilisé pour horodater les neutrinos depuis leur production à la source du faisceau jusqu'au détecteur à la fin de l'expérience.

Sur le détecteur SBN ICARUS, White Rabbit peut également être utilisé pour obtenir un marquage extrêmement précis des particules cosmiques indésirables qui viennent de l'espace et gênent l'expérience, masquant potentiellement les signatures des neutrinos.

"Il serait possible de faire fonctionner ICARUS sans White Rabbit, mais c'est beaucoup plus facile si on l'utilise, " a déclaré Fava. " Et tout est en temps réel aussi, cela permet donc d'économiser sur notre puissance de calcul et notre stockage."

White Rabbit a été conçu pour la première fois vers 2008 comme une collaboration internationale entre le CERN, le GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research en Allemagne, et autres partenaires, et a été introduit pour augmenter les capacités du grand collisionneur de hadrons.

Depuis le début, la collaboration a rendu à la fois le matériel et le logiciel du système de chronométrage accessible à tous dans le monde. L'équipement physique peut être acheté auprès de fournisseurs commerciaux, tandis que le logiciel est entièrement gratuit et facilement accessible en ligne.

« Tout le monde en profite lorsque la science est ouverte, " dit Torretta, qui a découvert White Rabbit lors d'un atelier de démonstration au CERN. "Au fur et à mesure que la technologie évolue, ça devient de plus en plus populaire."

Torretta a depuis participé à d'autres ateliers pour en savoir plus, dont un récemment à Barcelone, organisé par des experts de White Rabbit du CERN.

L'équipe de développement du CERN a également veillé à ce que la conception soit aussi générale que possible, afin de permettre une large gamme d'applications pratiques pour la technologie, y compris en dehors de la science. Un groupe aux Pays-Bas a même utilisé White Rabbit pour transmettre l'heure officielle entre les villes néerlandaises avec une précision à la nanoseconde.