作者:道恩·利维，橡树岭国家实验室 肯尼斯·里德领导ALICE升级电子硬件的设计、制造和组装
信用:背景:欧洲核子研究中心
前景:美国橡树岭国家实验室
S
处
能源；摄影师卡洛斯·琼斯，构图布雷特·霍普伍德
田纳西大学与能源部橡树岭国家实验室合作，领导了一个由美国科学家组成的研究小组
S
来自一系列机构的核物理学家设计、开发、大规模生产和交付新型粒子探测器和最先进的电子设备的重大升级，其部件在世界各地制造，目前正在欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机(LHC)上安装
“这次升级给爱丽丝实验带来了全新的功能，”托马斯·M
科尔米耶，爱丽丝桶跟踪升级项目主任，该项目包括一项电子设备检修，这是能源部核物理办公室有史以来最大的一项任务
ALICE的1917名参与者来自177个研究所和40个国家，他们联合起来试图更好地理解极端温度和密度下物质的性质
为此，LHC创造了一连串的“小爆炸”——宇宙大爆炸后数微秒内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，产生低能子粒子、子粒子的子粒子，等等
升级使ALICE能够更有效地高速跟踪粒子，连续数字化它们的微弱模拟电子信号，并将大量读出数据传输到世界各地的高性能计算中心进行分析
ORNL的物理学家、田纳西大学诺克斯维尔分校的教授科尔米耶说:“修改仪器让我们扩大了爱丽丝可以观察的科学窗口。”
“如果我们有足够的敏感度去观察，很多东西都在等待被发现
“结合对LHC加速器的升级，BTU将把灵敏度提高10倍，使基础科学有更大的差异
该项目提前完成且未超出预算，依赖于美国能源部橡树岭(ORNL)和劳伦斯·伯克利(LBNL)国家实验室以及七所大学的参与者:加州伯克利、克莱顿、休斯顿、田纳西州诺克斯维尔(UTK)、得克萨斯州奥斯汀、韦恩州立和耶鲁
升级工作始于2015年4月，结束于2019年11月，为欧洲粒子物理研究所提供了一套先进的探测器和电子设备
研究人员预计安装将于今年春天完成
爱丽丝的磁铁门打开，为正在升级的探测器提供入口
荣誉:朱利安·马里乌斯·奥登/欧洲核子研究中心 考虑到规模，这不是一件容易的事
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装仪器之一，里面有许多排列在同心圆筒中的探测器
LHC的光束线穿过它的中心轴
为改进两个ALICE探测器系统付出了巨大努力
一个是时间投影室(TPC)，一个充气的圆柱形装置，大小相当于一辆穿梭巴士
当带电粒子快速穿过气体时，磁场会弯曲它们的路径，产生曲线轨迹，揭示它们的动量和质量，进而揭示它们的身份
TPC圆柱体的每个端盖都覆盖有两个同心环的新型内外读出室，它们接收电离电荷，并使用创新的微图案穿孔气体电子倍增器箔的四层系统来实现它
一个由近50万个毫米级垫片组成的系统遍布在热塑性塑料圆柱体的两端，收集放大的电荷，并产生带电粒子轨迹的电子图像
第二个升级的探测器系统是一个七层的内部跟踪系统
LBNL与奥斯汀大学合作开发了中间层，其中包括一个坚固但重量轻的碳纤维框架，以支持七层板条，容纳24000个硅像素传感器，用于高精度粒子跟踪
每个像素的平方是30 × 30微米——比普通人的头发还要细
这个探测器总共有12个
50亿像素——使其成为有史以来最大的“数码相机”
处理最大的数据 升级极大地增加了ALICE每秒可以采样和读取的事件数量
肯尼斯·里德，北京交通大学电子升级部经理，领导了一项电子硬件的设计、制造和组装的巨大事业
里德是一位在高性能计算方面有专长的实验核物理学家，他在ORNL和UTK担任联合职务
最终，里德的团队交付了3276块电路板(外加426块备件)，用于读出50万个TPC通道
电子设备的升级使得数字化和每秒每通道500万个样本的分发成为可能
ORNL电子工程师亚历克斯·鲁苏在爱丽丝工地的洁净室时间投影室执行安装步骤
信用:美国橡树岭国家实验室
S
处
能量的 里德解释说:“在数据采集过程中，时间投影室将全天候不间断地输出每秒3tb的数据。”
“历史上，许多实验都处理每秒兆字节，甚至每秒千兆字节的数据速率
以每秒3tb的速度对流式科学数据进行实时处理，这在世界上是独一无二的
这是一个巨大的大数据问题
" 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-胶子等离子体是最早的宇宙物质，最初是在布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)上发现的，随后在RHIC和LHC的ALICE探测器上进行了研究
这样的等离子体是在地球上产生的，当一个强大的对撞机，如LHC，加速重离子，每个重离子包含许多质子和中子，并以如此大的能量与这些重离子碰撞，以至于它们的质子和中子“熔化”成它们的基本组成部分——夸克和胶子——等离子体比我们的太阳核心热100，000多倍
这种由释放出来的夸克和胶子组成的爆炸“汤”形成了粒子，这些粒子衰变为无数其他粒子
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
捕捉过多的粒子碰撞事件需要一组研究所开发一种定制的芯片，可以数字化和读取最大的数据
输入“SAMPA
“在ALICE大规模电子产品升级的核心，这种芯片始于
D
雨果·埃尔南德斯的论文项目，当时在圣保罗大学
SAMPA芯片和其他电子元件被运送到硅谷的佐尔讷电子公司，组装到由电子制造巨头TTM科技公司制造的印刷电路板上
ORNL博士的团队
D
在整个电子产品升级过程中做出重要贡献的专家级电气工程师——首席设计师查尔斯·布里顿
黛安·布尔·埃泽尔、劳埃德·克隆茨、布鲁斯·沃马克和丹尼尔·辛普森——也开发了一个高通量站，在装配厂测试电路板
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，你会订购一千个小部件，在橡树岭接收它们并测试它们，”里德回忆道
“你会把坏的送回工厂，把好的送到欧洲粒子物理研究所
“ORNL测试站允许装配厂将合格的板子直接运送到欧洲核子研究中心，以小批量“及时”安装，比等待大批量时更快
电路板是用SAMPA芯片(五个黑色方块)和快速、耐辐射的光学收发器(右上突出的两个组件)定制的
信用:美国橡树岭国家实验室
S
处
能量的 研究人员将使用宇宙射线校准BTU
然后，升级后的设备将为预计在2021年发射的高亮度LHC 3号做好准备
计划了几组不同的碰撞数据集——铅对铅、质子对铅和质子对质子——来阐明夸克-胶子等离子体的出射特征
即使是一年收集的原始数据也太大，无法归档
读出系统使用现场可编程门阵列和图形处理单元(GPU)，通过硬件加速动态处理数据流，将数据流筛选到千兆字节的规模，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高性能计算中心，包括ORNL的科学计算和数据环境，以供进一步处理
随着实验规模越来越大，物理学家们为同样使用集中式资源建立了理由，例如橡树岭领导计算设施的用于图形处理器加速数据处理的峰会超级计算机
ORNL的ALICE研究员康斯坦丁·卢伊兹德斯说:“在LHC使用不同粒子探测器的其他大型实验——特别是ATLAS和CMS——将在2027年及以后面临与ALICE相同的数据挑战。”
“BTU电子设备的世界领先能力可能会有利于未来的物理实验，如计划中的电子离子对撞机，这是美国大学的首要任务
S
核物理学
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
