Conception menée par Kenneth Read, fabrication et assemblage du matériel électronique amélioré d'ALICE. Crédit :Contexte :CERN. Premier plan :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie ; photographe Carlos Jones, composition Brett Hopwood.
Pour une expérience de physique nucléaire gargantuesque qui générera de grandes données à des taux sans précédent, appelée A Large Ion Collider Experiment, ou ALICE - l'Université du Tennessee a travaillé avec le laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'énergie pour diriger un groupe de physiciens nucléaires américains d'une série d'institutions dans la conception, développement, production en série et livraison d'une mise à niveau significative de nouveaux détecteurs de particules et d'une électronique de pointe, avec des pièces construites dans le monde entier et en cours d'installation au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.
"Cette mise à niveau apporte des capacités entièrement nouvelles à l'expérience ALICE, " dit Thomas M. Cormier, directeur du projet ALICE Barrel Tracking Upgrade (BTU), qui comprend une refonte de l'électronique qui est l'une des plus importantes jamais entreprises par le Bureau de physique nucléaire du DOE.
ALICE 1, 917 participants de 177 instituts et 40 nations sont unis pour essayer de mieux comprendre la nature de la matière à température et densité extrêmes. À cette fin, le LHC crée une succession de "petits bangs" - des échantillons de matière à des densités d'énergie jamais vues dans l'univers depuis des microsecondes après le Big Bang. Les détecteurs d'ALICE identifient les particules de haute énergie et suivent leurs trajectoires, interactions et désintégrations qui produisent des particules filles de plus faible énergie, filles de filles, etc. Les mises à niveau permettent à ALICE de suivre plus efficacement les particules à des taux élevés, numérisez en continu leurs faibles signaux électroniques analogiques et diffusez le tsunami de données de lecture vers des centres de calcul haute performance (HPC) du monde entier pour analyse.
"La révision de l'instrumentation nous permet d'élargir la fenêtre de la science qu'ALICE peut regarder, " dit Cormier, qui est physicien à l'ORNL et professeur à l'Université du Tennessee à Knoxville. "Beaucoup de choses attendent d'être découvertes si nous avons juste la sensibilité de les voir." Combiné avec des mises à niveau de l'accélérateur LHC, le BTU va décupler la sensibilité, permettant une plus grande différenciation de la science sous-jacente.
Achevé en avance et en deçà du budget, le projet s'est appuyé sur des participants des laboratoires nationaux d'Oak Ridge (ORNL) et de Lawrence Berkeley (LBNL) du DOE et de sept universités :la Californie à Berkeley, Creighton, Houston, Tennessee à Knoxville (UTK), Texas à Austin (UT Austin), Wayne State et Yale.
L'effort de mise à niveau a commencé en avril 2015 et s'est terminé en novembre 2019, fournir une suite de détecteurs et d'électronique avancés au CERN. Les chercheurs prévoient l'achèvement des installations ce printemps.
Les portes magnétiques d'ALICE s'ouvrent pour donner accès aux détecteurs en cours de mise à niveau. Crédit :Julien Marius Ordan/CERN
Vu l'échelle, Ce n'est pas un exploit facile. Situé sous terre à la frontière franco-suisse, ALICE est plus lourde que la Tour Eiffel. Un aimant de 52 pieds de haut est sa porte d'entrée. Derrière, les physiciens nucléaires ont déployé l'un des plus grands instruments de baril du monde, abritant de nombreux détecteurs disposés dans des cylindres concentriques. La ligne de faisceau du LHC passe par son axe central.
Des efforts considérables ont été consacrés à l'amélioration de deux systèmes de détection ALICE. L'un est la chambre à projection temporelle (TPC), un appareil cylindrique rempli de gaz de la taille d'une navette. Au fur et à mesure que les particules chargées traversent le gaz, un champ magnétique courbe leurs chemins, créer des trajectoires courbes qui révèlent leurs moments et leurs masses et, à son tour, leurs identités. Chaque embout du cylindre TPC est recouvert de deux anneaux concentriques de nouvelles chambres de lecture intérieure et extérieure qui reçoivent la charge d'ionisation et l'amplifient à l'aide d'un système innovant à quatre couches de feuilles de multiplicateur d'électrons gazeux perforées à micro-motifs. Un système de près d'un demi-million, des tampons à l'échelle millimétrique s'étendent sur les extrémités du cylindre TPC pour collecter la charge amplifiée et créer une image électronique des traces de particules chargées.
Le deuxième système de détection à recevoir une mise à niveau est un système de suivi interne à sept couches. LBNL a collaboré avec UT Austin pour développer ses couches intermédiaires, qui comprennent un cadre en fibre de carbone solide mais léger pour supporter sept couches de douelles contenant 24, 000 capteurs silicium-pixel pour un suivi des particules de haute précision. Chaque pixel mesure 30 × 30 micromètres au carré, soit plus fin qu'un cheveu humain moyen. Ce détecteur aura un total de 12,5 milliards de pixels, ce qui en fera le plus grand "appareil photo numérique" jamais construit.
Traiter la plus grande des données
La mise à niveau a considérablement augmenté le nombre d'événements par seconde qu'ALICE peut échantillonner et lire. Kenneth Read, responsable de la mise à niveau électronique de BTU, a mené une énorme entreprise dans la conception, fabrication et assemblage de matériel électronique. Lire, un physicien nucléaire expérimental expert en calcul haute performance, détient des mandats conjoints à l'ORNL et à l'UTK.
Finalement, L'équipe de Read a livré 3, 276 circuits imprimés (plus 426 pièces de rechange) pour la lecture du demi-million de canaux TPC. La mise à niveau de l'électronique permet de numériser et de diffuser 5 millions d'échantillons par seconde et par canal.
L'ingénieur en électronique ORNL Alex Rusu effectue les étapes d'installation sur la chambre de projection temporelle dans la salle blanche du site d'ALICE. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
"Une sortie de données non-stop totalisant 3 téraoctets par seconde s'écoulera de la chambre de projection temporelle, 24/7, lors de la prise de données, " Read a expliqué. " Historiquement, de nombreuses expériences ont porté sur le mégaoctet par seconde, ou même gigaoctet par seconde, débits de données. Le traitement en temps réel des données scientifiques en continu à 3 téraoctets par seconde est presque unique au monde. C'est un gros problème de données aux proportions immenses."
Ces données fournissent un instantané du système quantique connu sous le nom de plasma quark-gluon - la matière du tout premier univers découverte pour la première fois au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) au laboratoire national de Brookhaven et ensuite étudiée au RHIC et au détecteur ALICE à le LHC. Un tel plasma est produit ici sur Terre lorsqu'un puissant collisionneur, comme le LHC, accélère les ions lourds, contenant chacun de nombreux protons et neutrons, et entre en collision ces ions lourds avec tellement d'énergie que leurs protons et neutrons "fondent" dans leurs blocs de construction élémentaires - quarks et gluons - dans un plasma de plus de 100, 000 fois plus chaud que le noyau de notre soleil. Cette « soupe » explosive de quarks et de gluons libérés forme des particules qui se désintègrent en une myriade d'autres particules. Le réseau de détecteurs les identifie et les cartographie afin que les scientifiques nucléaires puissent reconstituer ce qui s'est passé et comprendre les phénomènes collectifs.
Pour capturer cette pléthore d'événements de collision de particules, une équipe d'instituts a dû développer une puce sur mesure capable de numériser et de lire les données les plus volumineuses. Entrez "SAMPA". Au cœur de la mise à niveau massive de l'électronique d'ALICE, cette puce a commencé comme le doctorat. projet de thèse d'Hugo Hernandez, puis à l'Université de Sao Paulo.
Des puces SAMPA et d'autres composants électroniques ont été expédiés à Zollner Electronics dans la Silicon Valley pour être assemblés sur des cartes de circuits imprimés fabriquées par le géant de la fabrication électronique TTM Technologies. L'équipe d'ingénieurs électriciens ORNL de niveau Ph.D. apportant des contributions essentielles tout au long de la mise à niveau de l'électronique - le concepteur principal Charles Britton avec N. Dianne Bull Ezell, Lloyd Clont, Bruce Warmack et Daniel Simpson ont également développé une station à haut débit pour tester les cartes directement dans l'usine d'assemblage. Alors qu'il fallait traditionnellement 1 heure pour diagnostiquer et déboguer une carte complexe, le processus automatisé de l'équipe ORNL l'a fait en seulement 6 minutes.
"C'était autrefois, vous commanderiez mille widgets, les recevoir à Oak Ridge et les tester, " Se remémorait lire. " Vous renvoyiez les mauvais à l'usine et les bons au CERN. pour une installation plus rapide que possible en cas d'attente sur de grands lots.
Les circuits imprimés ont été personnalisés avec des puces SAMPA (cinq carrés noirs) et rapides, émetteurs-récepteurs optiques tolérants aux rayonnements (deux composants saillants en haut à droite). Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Les chercheurs calibreront le BTU à l'aide de rayons cosmiques. Puis, l'équipement mis à niveau sera prêt pour le LHC Run-3 à haute luminosité, prévu en 2021. Plusieurs séries de divers ensembles de données de collision sont prévues—plomb sur plomb, proton-sur-plomb et proton-sur-proton—pour éclairer les caractéristiques émergentes du plasma quark-gluon.
Même une année de données brutes collectées sera bien trop importante pour être archivée. Le système de lecture convertit les données en continu à l'échelle du pétaoctet en les traitant à la volée avec une accélération matérielle à l'aide de matrices de portes programmables sur site et d'unités de traitement graphique (GPU), ce qui est considéré comme une bonne pratique. Les données réduites sont distribuées sur des réseaux haut débit vers les centres HPC du monde entier, y compris l'environnement de calcul et de données de l'ORNL pour la science, pour un traitement ultérieur. Au fur et à mesure que les expériences prennent de l'ampleur, les physiciens justifient également l'utilisation de ressources centralisées, comme le supercalculateur Summit de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility pour le traitement des données accéléré par GPU.
« D'autres grandes expériences au LHC utilisant différents détecteurs de particules, notamment ATLAS et CMS, seront confrontées aux mêmes défis de données qu'ALICE en 2027 et au-delà, " a déclaré le chercheur d'ALICE Constantin Loizides de l'ORNL. " Les capacités de pointe de l'électronique BTU profiteront probablement aux futures expériences de physique comme le collisionneur électron-ion prévu, une priorité absolue pour la physique nucléaire américaine."
