elektronicznych fizyki

O eksperymentach elektronicznych fizyki czastek czyli 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 y on-line... Duże eksperymenty (w CERN) -ATLAS Komputery dla fizyki - Grid komputerowy Podsumowanie M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 2

Zarys wystąpienia Oddziaływania cząstek - Odkrycia naukowe i rozwój techniki - Czy nie wystarczy nam sama teoria? - Aby uwierzyć trzeba zobaczyć Eksperymenty y elektroniczne -Motywacja - Akceleratory i detektory - Pierwsze eksperymenty on line... Duże eksperymenty (w CERN) -ATLAS Komputery dla fizyki - Grid komputerowy Podsumowanie M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 3

Krótka historia fizyki cząstek i detektorów (z technologią w tle) Liczniki scyntylacc. Komora Wilsona do 1964 Tranzystor Komory pęcherzyk. Układy scalone Komory iskrowe Eksperyment elektroniczny Komory prop. i dryfowe Paskowe detektory Si Komputer PC Lampy elektron. Promien. Czerenk. Liczniki. Proporc. Komputer Emulsje Licznik Geigera po 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 CERN, 1 Kwiecień 2008 5

Aby uwierzyć trzeba zobaczyć 6

Aby uwierzyć trzeba zobaczyć Oddziaływania w komorze pęcherzykowej M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 7 7

Aby uwierzyć trzeba zobaczyć Oddziaływanie ciężkich jonów zarejestrowane w komorze streamerowej M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 8

Aby uwierzyć trzeba zobaczyć Oddziaływanie ł i pp widziane i przez detektor centralny ATLASa M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 9

Dlaczego energia jest ważna? Im wyższa energia, tym krótsza długość fali Wyższa energia pozwala na zobaczenie szczegółów high energy low Ant s eye in electron microscope z wykładu P. Oddone 11

Dlaczego energia jest ważna? Duża energia oznacza również dużą masę; a więc możemy wrócić do początków Wszechświata! E = mc 2 z wykładu P. Oddone 12

Historia Wszechświata z wykładu P. Oddone 13

Dlaczego energia jest ważna? Prawdopodobieństwo zajścia nowych, ciekawych ciekawych zjawisk rośnie z energią Interesujące nas przypadki zdarzają się b. rzadko: prawdopodobieństwo ich pojawienia się jest na poziomie 10-4 10-11 wszystkich oddziaływań (to tylko jeden ciekawy przypadek na 10 miliardów trywialnych y zdarzeń!!) -> poszukiwanie igły na ogromnym polu siana 14

Promieniowanie kosmiczne źródłem cząstek wysokich energii Promieniowanie kosmiczne i LHC 1 przypadek ha - 2 rok -1 przy LHC 10 9 przypadków/s! 1 przypadek km - 2 rok -1 Atlas 15

W kierunku wysokich energii Pierwszy cyklotron 80 kev (1929, E. Lawrence) Baterie - 1.5 ev Kineskop 15 kev Tevatron w Fermilab 2 TeV M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 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 CERN, 1 Kwiecień 2008 17

Rozwój akceleratorów w świecie 18

Akcelerator LHC w CERN Large Hadron Collider CMS CERN European Organisation for Nuclear Reseach LHCb Atlas Alice M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 19

Dlaczego LHC w CERN Udany program pp-bar na akceleratorze SPS w CERN w latach 80-tych doświadczenie ś d i w skomplikowanej analizie 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 Organizowanie i się zespołów dla współpracy ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, TOTEM Zatwierdzenie programu LHC (1994) Michal Turala CERN, 1 Kwiecień 2008 20

Detektory elektroniczne cząstek aby zobaczyć zobaczyć to co niewidzialne Detektory torów (dla pomiar wierzchołków w oddziaływań,,pędów i topologii) hodoskopy scyntylacyjne komory iskrowe z odczytem cyfrowym paskowe i mozaikowe detektory krzemowe aby komory proporcjonalne i dryfowe nie komory zmieniać projekcji czasowej oryginalnych Detektory dla identyfikacji cząstek (określenia ich ó masy) liczniki do pomiaru czasu przelotu liczniki udział Czerenkowa w pierwotnym promieniowania przejścia Kalorymetry oddziaływaniu (dla pomiaru energii cząstek) elektromagnetyczne (e, γ) hadronowe (π, K, p) Detektory (poza kalorymetrami) winny być jak najlżejsze, aby parametrów cząstek biorących M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 21

Detektory wierzchołek pierwotny wierzchołki wtórne wierzchołek pierwotny Graficzne odwzorowanie oddziaływań M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 22

Detektory gazowe z wykładu L. Ropelewskiego M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 23

Detektory krzemowe kondensatory ca. 50-150 μm Krzemowy detektor paskowy izolator SiO 2 ~2.10 4 par e-h 300μm Paski co 75 μm wg. A. Peisert Moduł detektora krzemowego eksperymentu ATLAS; w sumie wykorzystuje się ponad 4000 takich Zaprojektowana modułów, zawierających w Polsce! ok. 6 milionów Elektronika pasków! odczytu VLSI Połączenie detektora z elektroniką M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 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 Hadron Calorimeter Muon Spectrometer Inner Tracker Magnet Return flux 26

Pierwsze esksperymenty on-line Eksperyment rozpraszania elastycznego grupy S. Lindenbauma w BNL (1962) M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 27

Pierwsze esksperymenty on-line Początek lat 60-tych XX w. Komputer Merlin Aparatura pomiarowa z głównymi autorami (S. Ozaki, S. Lindenbaum) M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 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 Dubna i IFWE Sierpuchow na przełomie lat 60-70-tych XX wieku; w eksperymentach brali również udział fizycy y amerykańscy 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 do pamięci i(dma) - pamięć bębnowa i taśmowa M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 30

Możliwości Eksperymenty elektroniczne - nowe możliwości i niebezpieczeństwa - Rejestracja informacji w postaci cyfrowej dane są gotowe do dalszej obróbki w trakcie przebiegu eksperymentu (w 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 przypadków prowadzi do nieodwracalnej utraty informacji o części oddziaływań, w tym i tych mogących zawierać nową fizykę, - Preselekcja przypadków może prowadzić do odrzucania części informacji o interesujących nas zdarzeniach, co wymaga wprowadzania poprawek (należy znać wydajność preselekcji). M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 31

Eksperymenty LHC w CERN ATLAS Uczestnik projektu (dla ustalenia skali ) CMS LHC b ALICE M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 33

Eksperymenty LHC w CERN 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 2006 prąd ą w magnesach osiągnął 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 Komory mionowe części centralnej w trakcie instalacji Październik 2007 -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 wstępnej selekcji jiii rejestracji jidanych. 41

Eksperyment ATLAS panel informacyjny Informacje bieżące. Stan gotowości ś poszczególnych systemów Wszystkie wydarzenia i harmonogramy dostępne w indico 42

Eksperyment ATLAS pulpit sterowania rejestracją danych Część systemu DAQ rejestrująca ją dane 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 (Chair: C. Oram Deputy: K. Jon-And) ATLAS Plenary Meeting Resources Review Board Spokesperson ATLAS Organization (P. Jenni Group October 2007 CB Chair Advisory Deputies: F. Gianotti and S. Stapnes) Technical Coordinator (M. Nessi) Resources Coordinator (M. Nordberg) Executive Board Inner Detector (L. Rossi, K. Einsweiler P. Wells, F. Dittus) Tile Calorimeter (B. Stanek) Magnet System (H. ten Kate) Electronics Coordination (P. Farthouat) Trigger Coordination (N. Ellis) Data Prep. Coordination (C. Guyot) Additional Members (T. Kobayashi, M. Tuts, A. Zaitsev) LAr Calorimeter Muon Instrum. Computing Trigger/DAQ Commissioning/ Coordination Physics (H. Oberlack, (G. Mikenberg, ( C. Bee, D. Fournier, F. Taylor, Run Coordinator (D. Barberis, Coordination L. Mapelli) J. Parsons) 22nd October 2007 S. Palestini) (G. Mornacchi) D. Quarrie) (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

Eksperymenty LHC w CERN Główne wyzwania bardzo silne promieniowanie (odporność radiacyjna) złożone przypadki ( granulacja detektorów) bardzo rzadkie zjawiska (wstępna selekcja) ogromne objętości danych (zapis i gromadzenie) światowy dostęp do danych (sieć komputerowa) duże, rozproszone kolaboracje (koordynacja) długo trwające eksperymenty (dokumentacja) M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 49

Preselekcja danych w czasie rzeczywistym Wiele różnych procesów fizycznych - kilka poziomów filtracji - wysoka wydajność dla ciekawych przypadków -całkowity współczynnik redukcji około ł 10 6 (10 7 ) Ograniczenie ze względu na koszt dysków i taśm - rocznie PB y informacji M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 50

Komputing LHC Natężenie danych dla oddziaływań p-p Typowe parametry Nominalna częstość - 10 9 przyp./s Częstość rejestracji j ~100 przypadków/s (270 przypadków/s) Rozmiar przypadku Czas naświetlania Objętość surowych danych Dane Monte Carlo ~1 M Byte ów/przypadek (2 M Byte ów/przypadek) ~ 10 7 s/ rok ~ 2 Peta Byte y/rok/eksperyment ~ 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 CERN, 1 Kwiecień 2008 52

Nowy model komputingu LHC ( cloud ) Uni x Lab m Physics Department Desktop Tier3 γ Lab a Tier2 Lab b USA Brookhaven USA FermiLab The LHC Computing Facility Italy Tier 1 NL CERN Tier0 Germany UK France Tier1 Lab x Lab c Uni n β α Uni y Uni b M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 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 BASNET 34 Mb/s Tier1 FZK Karlsruhe GÉANT 10+10 Gb/s SZCZECIN Gorzów POZNAŃ Tier2 PCSS Poznań ZIELONA GÓRA BYDGOSZCZ ŁÓDŹ TORUŃ HEP VLAN 1 Gb/s BIAŁYSTOK Tier2 ICM Warszawa WARSZAWA PIONIER S FIBERS 2 x 10 Gb/s 10 Gb/s (1 lambda) CBDF 10 Gb/s WROCŁAW HEP VLAN 1 Gb/s CZĘSTOCHOWA OPOLE KATOWICE RADOM KIELCE Tier2 ACK Cyfronet Kraków Bielsko-Biała KRAKÓW PUŁAWY LUBLIN RZESZÓW 1Gb/s MAN CESNET, SANET 55

Polska infrastruktura WLCG 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 procesorów AMD-64 i IA-64, 3 TB połączenie do GEANT i DFN 10 Gbs W strukturze WLCG polski Tier2 jest połączony do Tier1 w FZK Karlsruhe Tier3 w instytutach FWE Krakowa i Warszawy Cracow-CYFRONET Poznan-PSNC Warsaw-ICM Dla koordynacji w r. 2005 stworzono sieć ć naukową POLTIER 56

Polska infrastruktura WLCG Tier2: ACK Cyfronet ICM PSNC Ze sprawozdania WLCG za styczeń 2008 PL Polskie ośrodki wykazują dobre przygotowanie, stabilność i wydajność obliczeń 57

Podsumowanie Fizyka nie skończyła ń ł się z końcem ń XX wieku przed nami wiele fundamentalnych pytań. Poszukiwania i badania nieznanych zjawisk wymagają dużych, skomplikowanych urządzeń ń badawczych. 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. 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 CERN, 1 Kwiecień 2008 59

W przygotowaniu tej prezentacji korzystałem ł z różnych wystąpień i opracowań kolegów fizyków i inżynierówż i M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 60

Dziękuję za uwagę M. Turała CERN, 1 Kwiecień 2008 61