Eksperymenty „elektroniczne” - Indico

Transkrypt

O eksperymentach
„elektronicznych” fizyki
czastek
czyli
czy
„o elektronicznej generacji, rejestracji
i analizie oddziaływań wysokich energii”
M. Turała
Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Kraków
M. Turała
CERN, 1 Kwiecień 2008
1
Zarys wystąpienia
● Oddziaływania cząstek
- Odkrycia naukowe i rozwój techniki
- Czy nie wystarczy nam sama teoria?
- Aby uwierzyć trzeba „zobaczyć”
● Eksperymenty elektroniczne
- Motywacja
- Akceleratory i detektory
- Pierwsze eksperymenty
p y
y „on-line”...
„
● Duże eksperymenty (w CERN)
- ATLAS
● Komputery dla fizyki
- Grid komputerowy
● Podsumowanie
M. Turała
2
Zarys wystąpienia
- Czy
C
nie
i wystarczy
t
nam sama tteoria?
i ?
● Eksperymenty
p y
y elektroniczne
- Motywacja
- Pierwsze eksperymenty „on line”...
- ATLAS
● Komputery
K
t
dl fi
dla
fizyki
ki
- Grid komputerowy
● Podsumowanie
odsumowan e
M. Turała
3
Komory
iskrowe
Układy
scalone
Komory
pęcherzyk.
Tranzystor
po 1964 Æ
Komputer PC
C
Paskowe
detektory Si
Komory prop
p.
i dryfowe
Eksperyment
elektronicznyy
Emulsje
e
Komputter
Licznik
ki.
Proporc.
Promie
en.
Czeren
nk.
Lampyy
elektro
on.
Licznik
Geigera
Liczniki
scyntylac
c
.
Komora
Wilsona
Krótka historia fizyki cząstek i detektorów
(z technologią w tle)
Å do 1964
Aby uwierzyć trzeba ”zobaczyć”…
Obserwując ślady cząstek promieniowania kosmicznego zarejestrowane przez
komorę mgłową Carl Anderson odkrył w r. 1932 antymaterię w postaci
antyelektronu, nazwanego później pozytonem.
Komora Wilsona (mgłowa)
M. Turała
5
6
Oddziaływania w komorze pęcherzykowej
M. Turała
7
7
Oddziaływanie ciężkich jonów zarejestrowane w
komorze streamerowej
M. Turała
8
Oddziaływanie
Odd
i ł
i pp „widziane”
id i
” przez d
detektor
k
centralny ATLASa
M. Turała
9
Zarys wystąpienia
- Czy
C
nie
i wystarczy
t
nam sama tteoria?
i ?
● Eksperymenty
p y
y elektroniczne
- Motywacja
- ATLAS
● Komputery
K
t
dl fi
dla
fizyki
ki
- Grid komputerowy
● Podsumowanie
odsumowan e
M. Turała
10
Dlaczego energia jest ważna?
¾
Im wyższa energia, tym
krótsza długość fali
high
low
energy
¾
Wyższa energia pozwala
na zobaczenie szczegółów
Ant’s eye in electron microscope
z wykładu P. Oddone
11
¾
Duża energia oznacza również dużą masę; a więc
możemy wrócić do początków Wszechświata!
E=
2
mc
12
Historia Wszechświata
13
¾ Prawdopodobieństwo zajścia
nowych „ciekawych
nowych,
ciekawych”
zjawisk rośnie z energią
¾ Interesujące
ją
nas przypadki
p yp
zdarzają się b. rzadko:
prawdopodobieństwo ich
pojawienia się jest na poziomie
11 wszystkich
10-44 – 10-11
tki h
oddziaływań (to tylko jeden
ciekawy przypadek na 10
miliardów „trywialnych”
„ y
y
zdarzeń!!)
-> „poszukiwanie igły na
ogromnym polu siana…
siana ”
14
Promieniowanie kosmiczne źródłem cząstek
wysokich
y
energii
g
Promieniowanie
kosmiczne i LHC
1
przypadek
d k
ha-2 rok-1
przy
p
y LHC
109 przypadków/s !
1
przypadek
km-2 rok-1
Atlas
15
W kierunku wysokich energii
Pierwszy cyklotron
80 keV
k V (1929,
(1929
E. Lawrence)
Baterie - 1.5 eV
Kineskop – 15 keV
M. Turała
Tevatron w Fermilab – 2 TeV
16
W kierunku wysokich energii
W przypadku zderzeń dwóch identycznych wiązek energia w
„środku masy” jest sumą ich energii, podczas gdy przy
bombardowaniu nieruchomej „tarczy
tarczy” (cząstki) tylko jej część
może zostać wykorzystana do tworzenia nowych cząstek (zjawisk)
M. Turała
17
Rozwój akceleratorów w świecie
18
Akcelerator LHC w CERN
CERN
Large
Hadron
Collider
European Organisation for
Nuclear Reseach
LHCb
Atlas
CMS
Alice
M. Turała
19
Dlaczego LHC w CERN
Udany program pp-bar na akceleratorze
SPS w CERN w latach 80-tych
● d
doświadczenie
ś i d
i w skomplikowanej
k
lik
j analizie
li i
przypadków proton-antyproton i odkrycie
bozonów W, Z
Co można zmierzyć przy zderzeniach
protonów wysokich energii
● pomysły dla LHC (w tunelu LEP!) i SSC
Aktywny program przygotowawczy R&D
● detektory i akcelerator
O
Organizowanie
i
i się
i zespołów
łó dla
dl współpracy
ół
● ATLAS, CMS, … ALICE, … LHCb,
… TOTEM…
Zatwierdzenie programu LHC (1994)
Michal Turala
20
Detektory elektroniczne cząstek
aby „zobaczyć
zobaczyć” to co niewidzialne…
niewidzialne
¾ Detektory torów
((dla p
pomiar
m
wierzchołków
w
w oddziaływań,
yw , pędów
pę w i topologii)
p g )
¾ hodoskopy scyntylacyjne
¾ komory iskrowe z odczytem cyfrowym
¾ paskowe i mozaikowe detektory krzemowe
¾ komory proporcjonalne i dryfowe
¾ komory projekcji czasowej
¾ Detektory dla identyfikacji cząstek
( k śl i iich
(określenia
h masy))
¾ liczniki do pomiaru czasu przelotu
¾ liczniki Czerenkowa
¾ promieniowania przejścia
¾ Kalorymetry
(dla pomiaru energii cząstek)
¾ elektromagnetyczne (e
(e, γ)
¾ hadronowe (π, K, p)
Detektory (poza kalorymetrami)
winny być jak najlżejsze,
najlżejsze aby
nie zmieniać oryginalnych
parametrów
ó cząstek biorących
udział w pierwotnym
oddziaływaniu
M. Turała
21
Detektory
wierzchołek
pierwotny
wierzchołki
wtórne
wierzchołek
pierwotny
Graficzne odwzorowanie oddziaływań
M. Turała
22
Detektory gazowe
M. Turała
z wykładu L. Ropelewskiego
23
Detektory krzemowe
kondensatory
K
Krzemowy
detektor
d t kt paskowy
k
ca. 50-150 μm
izolator
SiO2
Paski co
75 μm
300μm
~2.10
~2
104 par e-h
wg. A. Peisert
Moduł detektora krzemowego
eksperymentu ATLAS; w sumie
wykorzystuje się ponad 4000
takich
modułów, zawierających
Zaprojektowana
w Polsce!
ok. 6 milionów
pasków!
Elektronika odczytu VLSI
M. Turała
Połączenie detektora z elektroniką
24
Spektrometry cząstek
Transverse slice through CMS detector
Click on a particle type to visualise that particle in CMS
Press “escape” to exit
25
Spektrometry cząstek
Electromagnetic
Calorimeter
Muon
Spectrometer
Hadron
Calorimeter
Inner Tracker
Magnet
Return flux
26
Pierwsze esksperymenty on-line
Eksperyment rozpraszania elastycznego grupy S. Lindenbauma w BNL (1962)
M. Turała
27
Pierwsze esksperymenty on-line
Początek lat 60-tych XX w.
Komputer Merlin
Aparatura pomiarowa z głównymi autorami (S. Ozaki, S. Lindenbaum)
M. Turała
28
Pierwsze eksperymenty on-line
Pierwszy eksperyment z komputerem „on-line” w CERN; grupa Magliča (1963)
29
Pierwsze eksperymenty on-line
Pierwsze eksperymenty „elektroniczne”
z udziałem krakowskich fizyków i
inżynierów miały miejsce w ZIBJ
D b i IFWE Sierpuchow
Dubna
Si
h
na
przełomie lat 60-70-tych XX wieku;
w eksperymentach brali również udział
fizycy
y y amerykańscy
y
y
W eksperymentach elastycznego
rozpraszania π-e oraz π-p
wykorzystano komory iskrowe i
proporcjonalne, z odczytem cyfrowym,
połączone „on-line” do komputera
HP2116 o parametrach
- procesor 16 bitów, 1 MHz
- pamięć operacyjna 32 k, 32 bity
- dysk 300 kbitów
- dostęp
d t
d
do pamięci
i i (DMA)
- pamięć bębnowa i taśmowa
M. Turała
30
Eksperymenty „elektroniczne”
- nowe m
możliwości i niebezpieczeństwa
p
● Możliwości
- Rejestracja informacji w postaci cyfrowej – dane są gotowe do
dalszej obróbki w trakcie przebiegu eksperymentu (w „czasie
czasie
rzeczywistym”,
- Możliwą jest preselekcja przypadków w czasie rzeczywistym, co
pozwala na wyróżnienie i rejestrację tylko „interesujących”
oddziaływań,
- Użycie komputerów w eksperymentach pozwala na sterowanie i
monitorowanie bardzo złożonej aparatury,
- Wstępna analiza danych pozwala na sprawdzanie jakości danych
w trakcie eksperymentu
● Niebezpieczeństwa
- Preselekcja
j p
przypadków
yp
prowadzi
p
do nieodwracalnejj utraty
y
informacji o części oddziaływań, w tym i tych mogących
zawierać „nową fizykę”,
- Preselekcja przypadków może prowadzić do odrzucania części
informacji o interesujących nas zdarzeniach,
zdarzeniach co wymaga
wprowadzania poprawek (należy znać wydajność preselekcji).
M. Turała
31
Zarys wystąpienia
- Czy
C
nie
i wystarczy
t
nam sama tteoria?
i ?
● Eksperymenty
p y
y elektroniczne
- Motywacja
- ATLAS
● Komputery
K
t
dl fi
dla
fizyki
ki
- Grid komputerowy
● Podsumowanie
odsumowan e
M. Turała
32
Eksperymenty LHC w CERN
Uczestnik
projektu –
ATLAS
(dla ustalenia
skali…)
CMS
LHC
b
ALICE
M. Turała
33
Problem doświadczalny
Poszukiwanie bardzo rzadkich
zjawisk:
• prawdopodobieństwo ich
pojawienia się jest na poziomie
10-4 – 10-11 wszystkich
oddziaływań (jeden ciekawy
przypadek na 10 miliardów
„trywialnych” zdarzeń!)
-> „poszukiwanie igły na
ogromnym polu siana…”
• oddziaływania protonów, które są
złożone, przy bardzo wysokich
energiach daje skomplikowane
obrazy oddziaływań
-> analiza jest trudna…
34
Eksperyment ATLAS
ATLAS w zestawieniu z
5 piętrowym budynkiem
nr. 40 CERN
35
Eksperyment ATLAS - toroidy
Stan we wrześniu 2005
W listopadzie
p
2006 p
prąd
ą w magnesach
g
osiągnął
ąg ą nominalną
ą wartość
20.5 kA za pierwsza próbą…..
36
Eksperyment ATLAS
instalacja Detektora Centralnego
Maj 2007
Bardzo istotny wkład naszych inżynierów i techników przy instalacji „serwisów”
37
Eksperyment ATLAS - kalorymetry
Strona A spektrometru ATLAS z wsunietymi kalorymetrami „do przodu” (EM napełniony LAr)
38
Eksperyment ATLAS – komory mionowe
Komory mionowe „do przodu”
w trakcie instalacji
Październik 2007
Komory mionowe części centralnej
w trakcie instalacji
-aździernik 2007 - gotowe w 99%
39
Eksperyment ATLAS
Stan aktualny
40
Eksperyment ATLAS
hala sterowania i monitorowania
Hala jest gotowa i wykorzystywana przy
integracji detektorów i w trakcie
naświetlań kalibracyjnych z wykorzystanie
promieniowania kosmicznego
Dane z takich naświetlań rejestrowane są
przez elementy finalnego systemu
wstępnejj selekcji
l k ji i rejestracji
j
ji danych.
d
h
41
Eksperyment ATLAS
panel informacyjny
Informacje
bieżące
.
Stan gotowości
St
t
ś i
poszczególnych
systemów
Wszystkie wydarzenia
i harmonogramy
dostępne w „indico”
42
Eksperyment ATLAS
pulpit sterowania rejestracją danych
Część systemu DAQ
j
ją dane
rejestrująca
rzeczywistego
detektora
60 godzin stabilnej
pracy przy częstości
zdarzeń L1 10 kHz i
DAQ 500 Hz
43
Eksperyment ATLAS
Przypadek mionu kosmicznego wyselekcjonowany
przez tryger kalorymetryczny (Tiles Calorimeter)
44
Rozmiary kolaboracji w funkcji czasu
(odkryć)
Albrecht Wagner,
Krakow 15 Oct 2007
45
Collaboration Board
ATLAS
Plenary
y Meeting
g
(Chair: C. Oram
Deputy: K
K. Jon
Jon-And)
And)
Resources Review
Board
Spokesperson
CB Chair Advisory
G
Group
ATLAS Organization
O t b 2007
October
( Jenni
(P.
Deputies: F. Gianotti
and S. Stapnes)
Technical
Coordinator
Resources
Coordinator
(M. Nessi)
(M. Nordberg)
Executive Board
Inner Detector
(L. Rossi,
K. Einsweiler
P. Wells, F. Dittus)
Tile Calorimeter
Magnet System
(B. Stanek)
(H. ten Kate)
LAr Calorimeter
Muon Instrum.
(H. Oberlack,
(G. Mikenberg,
D. Fournier,
F. Taylor,
J. Parsons)
S. Palestini)
22nd October 2007
Trigger/DAQ
( C. Bee,
L. Mapelli)
Electronics
Coordination
Trigger
Coordination
(P. Farthouat)
(N. Ellis)
Commissioning/
Run Coordinator
(G. Mornacchi)
Computing
Coordination
(D. Barberis,
D. Quarrie)
Data Prep.
Coordination
(C. Guyot)
Additional
Members
(T. Kobayashi,
M. Tuts, A. Zaitsev)
Physics
Coordination
(K. Jakobs)
46
Eksperyment ATLAS
Wednesday May 30, 2007
08:30 / Technical Co-ordination / Installation / ID Installation/3162-R-D01
09:30 / Upgrades for High Luminosity / Workshops / Upgrade of MDT electronics for SLHC/
09:30 / Technical Co-ordination / Installation / Calo Installation/3162-R-D01
10:00 / Tile Calorimeter / Online DAQ Tools / Online DAQ Tools/40-4C-01
10:30 / Operation / Operation/Run Coordination / Weekly Meeting /
10:30 / Commissioning / M3 week readiness review/
12:00 / Trigger & Data Acquisition & DCS / LVL1 Trigger System / Lvl1 Coordination Group/
14:00 / Trigger & Data Acquisition & DCS / TDAQ Steering Group and Institute Board /
14:30 / Inner Detector / PIXEL subsystem / Pixel DAQ Design/304-1-1A
14:30 / Trigger & Data Acquisition & DCS / LVL1 Trigger System /
15:00 / Tile Calorimeter / miscellaneous / Tilecal Pion Taskforce/to be confirmed
15:00 / Trigger & Data Acquisition & DCS / DAQ and High-Level Trigger / TIDB2 Tutorial/
15:00 / Trigger & Data Acquisition & DCS / Trigger Algorithms, Performance and Menus /
15:15 / Computing / Database / NO Offline database meeting today./
15:30 / Physics / Exotics / CSC VB Scattering/
16:00 / Physics / SUSY / SUSY CSC-08 GMSB meeting/
16:00 / Inner Detector / PIXEL subsystem / Pixel Operation Task Force/13-3-005
16:00 / Upgrades for High Luminosity / Working Groups and R&D projects /
16:30 / Physics / Higgs / 10th phone-meeting on the H-->4l CSC note /
17:00 / Liquid Argon Calorimeter / Commissioning Phase 3 / BA/EC P3C Meetings /
17:00 / Physics / JetEtMiss / JetRec phone conference/phone conference only!
47
Zarys wystąpienia
- Czy
C
nie
i wystarczy
t
nam sama tteoria?
i ?
● Eksperymenty
p y
y elektroniczne
- Motywacja
- ATLAS
● Komputery
K
t
dl fi
dla
fizyki
ki
- Grid komputerowy
● Podsumowanie
odsumowan e
M. Turała
48
Główne wyzwania
●bardzo silne promieniowanie (odporność radiacyjna)
●złożone p
przypadki
yp
(„granulacja”
g
j detektorów)
●bardzo rzadkie zjawiska (wstępna selekcja)
●ogromne objętości danych (zapis i gromadzenie)
●światowy dostęp do danych (sieć komputerowa)
●duże,
duże rozproszone kolaboracje (koordynacja)
●długo trwające eksperymenty (dokumentacja)
M. Turała
49
Preselekcja danych w czasie rzeczywistym
¾ Wiele różnych
procesów fizycznych
- kilka poziomów
filtracji
- wysoka
wydajność
dla ciekawych
przypadków
- całkowity
współczynnik
redukcji
około
k ł 106 (107)
Ograniczenie ze względu
na koszt dysków i taśm
- rocznie PB’y informacji
M. Turała
50
Komputing LHC
Natężenie danych dla oddziaływań p-p
yp
parametry
p
y
Typowe
Nominalna częstość
- 109 przyp./s
j
j
Częstość rejestracji
~100 p
przypadków/s
yp
(270 przypadków/s)
Rozmiar przypadku
~1 M Byte’ów/przypadek
(2 M Byte’ów/przypadek)
Byte ów/przypadek)
Czas naświetlania
~ 107 s/ rok
Objętość surowych danych
~ 2 Peta Byte’y/rok/eksperyment
Dane Monte Carlo
~ 1-2 Peta Byte/rok/eksperyment
Już obecnie eksperymenty BaBar, Belle, CDF, DO dostarczają po 1 TB/dzień
Wielo-stopniowy model analizy danych
Na podstawie modelu projektu MONARC
(Models of Networked Analysis at Regional Centres
for LHC Experiments)
M. Turała
52
Nowy model komputingu LHC („cloud”)
Lab m
Uni x
USA
Brookhaven
Lab a
USA
FermiLab
Tier3
Desktop
γ
NL
α
Uni y
Uni n
Tier1
Tier0
Italy
β
M. Turała
CERN
Facility
Lab b
UK
France
The LHC
Tier
1
Computing
Physics
Tier2
Department
Lab x
Germany
Lab c
Uni b
53
Współpraca LCG z projektem UE EGEE
zasoby komputerowe – kwiecień 2005
Kraje dostarczające zasoby komputerowe
Kraje planujące dołączenie do EGEE/LCG
In EGEE-0 (LCG-2):
Ö > 100 sites
Ö > 10 000 cpu
Ö ~ 5 PB storage
Z udziałem trzech polskich instytucji
- ACK Cyfronet Kraków
- ICM Warszawa
- PCSS Poznań
Polska finansuje infrastrukturę
EGEE pomaga w obsłudze
From F. Gagliardi at HP-CAST
54
Polska infrastruktura WLCG
GDAŃSK
KOSZALIN
OLSZTYN
Tier1 FZK
Karlsruhe
GÉANT 10+10 Gb/s
SZCZECIN
TORUŃ
BYDGOSZCZ
BASNET 34 Mb/s
BIAŁYSTOK
Gorzów
Tier2 PCSS
Poznań
POZNAŃ
ZIELONA
GÓRA
HEP VLAN
1 Gb/s
Tier2 WARSZAWA
ICM
Warszawa
ŁÓDŹ
HEP VLANCZĘSTOCHOWA
1 Gb/s
RADOM
WROCŁAW
PIONIER’S FIBERS
2 x 10 Gb/s
KATOWICE
10 Gb/s
(1 lambda)
CBDF 10 Gb/s
KIELCE
OPOLE
Tier2 ACK
Cyfronet
KrakówKRAKÓW
PUŁAWY
LUBLIN
RZESZÓW
Bielsko-Biała
1 Gb/s
CESNET, SANET
MAN
55
Tier2: ACK Cyfronet – ICM – PSNC
Trzy centra komputerowe uczestniczą w tworzeniu
polskiego Tier2 (jako część polskiego EGEE ROC)
• ACC Cyfronet Cracow
• ~200 procesorów Pentium, dyski ~10 TB
• połączenie do PSNC via 1 Gbs HEP VLAN
• ICM Warszawa
• ~270 procesorów AMD-64, dyski ~19 TB
• połączenie do PSNC via 1 Gbs HEP VLAN
• PSNC Poznań
• ~270
270 procesorów
ó AMD
AMD-64
64 i IA
IA-64,
64 3 TB
• połączenie do GEANT i DFN – 10 Gbs
W strukturze WLCG polski Tier2 jest połączony
do Tier1 w FZK Karlsruhe
Cracow-CYFRONET
Poznan-PSNC
Warsaw-ICM
Tier3 w instytutach FWE Krakowa i Warszawy
Dla k
Dl
koordynacji
d n cji w r. 2005 st
stworzono
n si
sieć
ć n
naukową
uk
POLTIER
56
Tier2: ACK Cyfronet – ICM – PSNC
Ze sprawozdania WLCG za styczeń 2008
PL
Polskie ośrodki wykazują dobre przygotowanie, stabilność i wydajność obliczeń
57
Zarys wystąpienia
- Czy
C
nie
i wystarczy
t
nam sama tteoria?
i ?
● Eksperymenty
p y
y elektroniczne
- Motywacja
- ATLAS
● Komputery
K
t
dl fi
dla
fizyki
ki
- Grid komputerowy
● Podsumowanie
odsumowan e
M. Turała
58
Podsumowanie
● Fi
Fizyka
k nie
i skończyła
k ń
ł się
i z k
końcem
ń
XX wieku
i k – przed
d namii
wiele fundamentalnych pytań….
● Poszukiwania i badania nieznanych zjawisk wymagają dużych,
skomplikowanych
k mplik
n h urządzeń
d ń badawczych….
b d
h
● Wiek XX dostarczył nowych narzędzi, elektroniki i
komputerów, dzięki którym stało się możliwym konstruowanie
bardzo złożonych detektorów ….
● Eksperymenty elektroniczne, z komputerami „on-line”
pozwalają na sterowanie i monitorowanie spektrometrów
zawierających miliony kanałów pomiarowych….
pomiarowych
● Budowa tych złożonych obiektów, akceleratorów i detektorów,
wymaga współpracy finansowej i technicznej wielu państw –
doświadczenia ubiegłych lat pokazują iż taka współpraca
prowadzi do sukcesów….
● Nowe wyzwania stawia analiza danych – staje się ona możliwą
w skali globalnej dzięki rozwojowi sieci komputerowych… ….
● Polski udział jest niezbyt wielki, ale znaczący….
M. Turała
59
W przygotowaniu tej
prezentacji
t ji k
korzystałem
t ł
z
różnych wystąpień i opracowań
k l ó fizyków
kolegów
fi kó i iinżynierów
ż i ó
M. Turała
60
Dziękuję za uwagę
M. Turała
61

Eksperymenty „elektroniczne” - Indico

Transkrypt

Podobne dokumenty

Prof. Ryszard Sosnowski Prof. Agnieszka Zalewska Europejska