das phenix experiment am rhic c.witzig brookhaven national laboratory witzig zurich, sept. 24, 99
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Das PHENIX Experiment
am RHIC
C.Witzig
Brookhaven National Laboratory
www.rhic.bnl.gov/~witzig
Zurich, Sept. 24, 99
www.phenix.bnl.gov
Uebersicht
• Einleitung:
• Das RHIC Project
• Theoretische Motivation:
» Suche nach dem Quark Gluon Plasma (QGP)
» Spin Physics mit polarized Protonen
• Der PHENIX Detektor
• Das PHENIX Online Computing System
• Zukunft:
• Engineering Run 1999
• Physics Run in 2000
Brookhaven National Laboratory
Auf Long Island, 60m von New York City
Interdisziplinaeres Forschungslabor (DoE)
3,500 Angestellte
Das Projekt (1)
• RHIC = Relativistic Heavy Ion Collider
• Bewilligt in 1990, Konstruktion (offiziell) im Sommer 99 beended
• Erster Physik Run beginnt im Dez. 1999
“virtual tour of RHIC” zugaenglich von der PHENIX homepage
www.phenix.bnl.gov
Einleitung:
Das RHIC Projekt
Theoretische Motivation
Der PHENIX Detektor
Das PHENIX Online Computing System
Die Zukunft:
Engineering Run 1999
Physics Run in 2000
Das RHIC Projekt (2)• Der RHIC beschleunigt Ionen von Proton bis Gold
• Au bis zu 100 GeV/c/nucleon -- Heavy Ion Program(CERN: sqrt(s) = 17.4 GeV/A mit Pb)
• Protons bis zu 250 GeV/c (polarisierte Protonen) -- SPIN Program
• Einzige “neue” Beschleuniger vor LHC (!)
• Vier Detektoren: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STAR
Theoretische Motivation• Quarks und Gluonen sind im Hadron “eingesperrt” (confinement)
• Starke Wechselwirkung ist schwach bei kleinen Distanzen, aber stark bei groesseren Distanzen
• Idee dass das Hadron unter extremen Bedingungen aufgebrochen werden kann (T,• Phasen Uebergang von nuklearer Materie zu einem Quark Gluon Plasma (QGP)
•Parameter:
•Temperature des Systems
• Dichte
•chemisches Potential
Einleitung:
Das RHIC Projekt
Theoretische Motivation
Der PHENIX Detektor
Das PHENIX Online Computing System
Die Zukunft:
Engineering Run 1999
Physics Run in 2000
Bild einer Schwerionen Kollision• Au nucleus:
• radius ~7 fm
• 197 Nukleonen, 79 Protonen
• Kollision produziert die Bedinungen zum Phasenuebergang
• QGP Formation:
• Thermisches Gleichgewicht (ca <1 fm/c)
• Chemisches Gleichgewicht (einige fm/c)
• Lebensdauer: ~ 4 fm/c
• Hadronisation (gemischte Phase ~ 10 fm/c)
• “Freeze-out” (dTeilchen > mfp)
• Expansion der Hadronen (und Detektion)
Signaturen des QGP (1)
• Experimentelle Probleme:– Grosse Anzahl Teilchen
– Keine klare Signatur, die das QCP “beweist”
– eine Kollektion von Signaturen, die auf das QGP hinweisen, v.a. als Funktion der Energie und Ionen (A+A, p+A, pp)
• Globale Variabeln (als Function des Impaktparameters)
– Multiplizitaet der geladenen Teilchen dN/d– Transversale Energy Et /d, <pt>
– Grosse Fluktuationen von dN/ /d
Signaturen des QGP (2)
Teilchen: (strange und anti-strange quark): Masse 1020 MeV
• Masse und Breite veraendert sich im QGP
• Suche nach den Zerfaellen e+e- und K+K-
Unterdrueckung von J/
• Debye Abschirmung in dichter Materie fuehrt zur Unterdruckung von J/
Signaturen des QGP (3)
Erhoehte Produktion von Strangeness and Charm
Thermale Strahlung des Heissen Gases
Spin Struktur Funktion des Gluons aus Produktion von direkten Photon
Spin Physik am RHIC (1)“Spin Crisis”: Protonen Spin != Spin Summe der Quarks
Beitraege von:
• Gluonen sind polarisiert
• Anti-Quarks sind polarisiert
• Orbitalspin der Quarks/Gluonen Polarisierte Protonen ermogelichen Messung von• Partiatserhaltene Asymmetrie: ALL
• Partiaetsverletzende Asymmetrien: •AL
• ALL
A p a qg qg x
g x
e q x
e q xi u u d d s sLL T LL
i ii
i ii
( ) ( )( )
( )
( )
( ); , , , , , ...
2
2
Spin Physik am RHIC (2)
Polarisation der Anti-Quark:
Asymmetrie der W+ Produktion gibt Aufschluss
auf die Polarisation der Anti-Quarks
Au x M d x M d x M u x M
u x M d x M d x M u x MLW a W b W a W b W
a W b W a W b W
( , ) ( , ) ( , ) ( , )
( , ) ( , ) ( , ) ( , )
2 2 2 2
2 2 2 2
Grosse Asymmetrien erwartet
Signatur: ein isoliertes Lepton
Der PHENIX Detector
Einleitung:
Das RHIC Projekt
Theoretische Motivation
Der PHENIX Detektor
Das PHENIX Online Computing System
Die Zukunft:
Engineering Run 1999
Physics Run in 2000
• Ueber 400 Physiker von 43 Institutionen• “Vier arm spectrometer”
• zentralen Detektor• zwei zentrale Arme• zwei Muon Arme
• 11 verschiedene Detektortypen
April 1998
12.9.99
Der PHENIX Detektor (2)
Design Ueberlegungen:
• Identifizierung und Trigger auf
•Leptons, Photons and high Pt Hadrons
• Braucht gute Impuls und Energy Aufloesung ueber ein weites p-Spektrum
• Hohe Teilchenrate
• Komplementaer zu anderen RHIC Detektoren
Fuer zentrale Au+Au Kollisionen:
• 300 geladene Teilchen im zentralen Arm
• <pt> ~ 300 MeV/c
• 25% der Teilchen im EMCAL kommen nicht vom Vertex
Zentrale Subdetektoren
Beam Beam Zaehler (BBC)
• auf Nord- und Suedseite
• 64 Cerenkovzaehler
• gibt Triggersignal
• Zeit und Ort der Kollision
Multiplicity Vertex Detector (MVD)
• Silikon Microstrip Detektor
• 64 cm lang, Radius 5 - 7.5 cm
• -2.5 < < 2.5
• Misst
• dN/d• Vertex
Zentrale Arme (Tracking) (1)Zwei unterschiedliche zentrale Arme
• Drift Kammer (DC)
• x ~ 150 m
• z < 2 mm
•Time Expansion Kammer (TEC)
• dE/dx zur Identifikation e/• 5x10-2 @ 500 MeV/c
•Pad Kammer (PC)
•3 Kammern
• 2.7 x 8.2 mm Pixel
• 140,000 Kanaele
Zentrale Arme (PID) (2)Ring Imaging Cerenkov Detektor (RICH)
• 5,600 PMTs
• Identifikation von Elektronen (< 4 GeV/c)
• > 10^3 Pion Rejection
TOF (Time of Flight) Detektor
• start/stop BBC-TOF• ~ 85 ps
• Identifikation von K/ (4 fuer p < 4 GeV/c)
Zentrale Arme (PID) (3)Elektromagnetisches Kalorimeter
• PbSc und PbGl
• Hohe Aufloesung, hohe Granularitaet
• E ~ 7.8% / sqrt(E) + 1.5% (PbSc)
• E ~ 5.8%/ sqrt(E) + 1.0% (PbGl)
Muon ArmeZwei Detektoren in zwei Armen (Nord/Sued)
• Muon Tracker:
•3 Stationen mit Kathoden Strip Kammers (CSC)
• 100 m
• Muon Identifier
• Stahl Schichten
• 5 Gaps mit (vertikalen und horizontalen) Iarocci Tubes
• / rejection ~ 2.5 10-4
Das PHENIX Online Computing System
BNL: S.Adler, E.Desmond, L.Ewell, H.Y.Kehayias, J.Haggerty,
M.Purschke, R.Roth, C.WitzigNMSU Las Cruces:
S.Pate
Verantwortlich fuer
• Datenstrom nach dem Event Builder
• Event Archive
• Online Monitoring
• Integration aller Komponenten des Online Systems in ein einheitliches System
• Run Control
• Datenbank
• User Interfaces
• “Common Slow Controls”: HV, LV
Einleitung:
Das RHIC Projekt
Theoretische Motivation
Der PHENIX Detektor
Das PHENIX Online Computing System
Die Zukunft:
Engineering Run 1999
Physics Run in 2000
• Ueberblick vom Online System
• Wichtigsten ONCS Design Kriterien
• Einige Beispiele
Detektor #1
Timing
Detektor #2
DCM DCM
LL 1
GL1
SEB #i SEB #k
ATM Switch
ATP #k ATP #mATP #l
Sun SMPPC Sparc Station Control flow
Data flow
arcnet
accept
busybusy
DCM
Front End Readout
Zero Suppression,
Data Formatting
(DSP in VME crates)
Event
Builder
System
Event Archive
Monitoring
TCP/IP
Bedingungen an das System (Requirements)• Konstruktion/Kommission des Detektors in verschiedenen Phasen
• “Partitioning”: verschiedene Detektoren koennen Daten unabhaengig voneinander nehmen
• Sogar die Subdetektoren werden zu verschiedenen Zeiten in Betrieb genommen
• Bsp: Muon Arm Nord und Sued
• Konzept von “Granules” und “Partitions”
• “granule”: kleinste Einheit, die Daten nehmen kann
• “partition”: Einheit, die Daten nimmt (von 1 oder mehr Granules)
• Verschiedene Partitions koennen zur gleichen Zeit Daten nehmen
Hardware Bedingungen:
• ein grosser Teil der Hardware ist hinter der Betonabschirmung (FEM, HV)
• verteilte Prozessoren
• VME (3 verschiedene Sorten von VME crates mit verschiedenen Backplanes
• Event Builder hat PCs unter Windows/NT
• Offline bevorzugt Linux
• Online Computing bevorzugt Solaris
OO-ology ...
• Anwendung von objekt-orientierter Software
• E.g. ein DCM in einem VME crate wird von einem Objekt kontrolliert, dessen “member functions” die Hardware Operationen ausfuehrt
• E.g. pDCM->loadDSP( const char *file) schreibt den DSP Code in das Memory des DSPs
• Die Objekte haben State Maschinen, die nur erlaubte Operationen ermoeglichen, d.h. es gibt ueberall eine klar definierte Sequenz von erlaubten Operationen
• Bsp: man kann den DCM nicht konfigurieren, bevor man den
DSP Code geladen hat
Uebersicht von den Software Komponenten
FEM
FEM
FEM
Arcnet
Sun Workstation
Sun Enterprise 3000
Timing
DCM
GL1
LL1
PPC
PPC
PPC
PPC
SEB
SEB
ATP
ATP
162/167
Anc. System
CustomHardware
VME crates
PC running NTPPC,68kVxWorks
ONCS software
Event Pool
Data Loggers
Sun Workstation / PC Linux
Run Control
Corba
Servers
EPICS clients
Monitoring Monitoring
PC Linux
Subsystem Software
Wie kann man mit all den verteilten Objekten (einfach) kommunizieren?
Platforms:
• Solaris (Linux)
• VxWorks
• Windows/NT
Ziel: Ueberall die gleiche Software
Loesung: CORBA• Common Object Request Broker Architecture• Standard der von einem Konsortium gesetzt wird (OMG = Object Management Group)• Verteite Objekte koennen miteinander kommunizieren, als ob sie im gleichen “address space” sind
Object_X *pX = Object_X::_bind( host2 );iStatus = pX->ExecuteMe();
Client pX->ExecuteMe() Server YYY mit Object X
Host1 Host2X
Wie finden die Objekte einander?
• Jedes Objekt hat einen eigenen Namen (“AHV Nummer”)• Ein nameserver weiss, wer wo ist (“Telephonbuch”)• Ein event notifier sendet Information von einem Objekt zu einem anderen (“PTT”)• Beide Dienste sind nach den CORBA services geschrieben worden
• Nameserver hat eine Liste von Objekten • try{
nsvar = nameserv::_bind(“phoncs/daqns”, “phoncs0.phy.bnl.gov”);
if ( !(resolvestatus = nsvar->ResolveName(“evnot”, pObject);
pEvnot = EventNotifier::_narrow( pObject);
} catch...
• Benutzung von einem Pointer zum Event Notifier um ein Event zu einem Objekt zu senden
• evdata EvData;
EvData.eventid = 3 // cmd clear device table
char *pcName = CORBA::string_alloc( strlen( “TEC.DCM.W.N.3”);
strcpy( pcName, “TEC.DCM.W.N.3”);
EvData.destObjName = pcName;
pEvnot->send_event( EvData );
Verteilung der Physik Daten in “real time”
• Konzept von “event pools” (DD) in die Produzenten Events hinein tun und Konsumenten holen sie heraus
• Selektion nach– event type
(prescaled)
– CPU power
– sharing von events zwischen Prozessen
– u.a.
• Broadcast Mechansmus fuer spezielle Daten
• Pool kann auch remote sein
• Auf FIFOs basierend
DD #1
Data logger 1fuer event type ZZ
Data logger 2+3fuer event type XY
EMCAL Kalibrations Prozess
DD #2
Online Monitoring
• Zugang zu Daten ist identisch zwischen online und offline
• Entwicklung von einem Standard, wie man Daten liest (von disk files, in real time, …)
• Benuetzung von ROOT
• 3 Typen von Daten:
• “real time”: events aus dem DD pool
• “near line”: speichern der neuesten Daten auf Disk im Counting house
• “offline”: an der RCF (Rhic Computing Facility)
• Platforms: Linux (billige PCs)
Run Control (1)• Ein CORBA Server per Partition macht die RunControl
• Configurierbare Komponenten sind als Proxy Objecte in the RunControl und werden von einem Objekt per Type kontrolliert
ProcessUnit
PU Design
Process Stage
PUDConfig Req
Config Files
EventPoolDCM
• Pu Subtype weiss was wann zu tun ist (z.B. Initialisation)• Trennung der Konfiguration vom Objekt selber• Einige der Objekte sind persistent (Datenbank)
Run Control (2)
ProcessStage sendet die Commands und wartet bis alle fertig sind (oder ein Error passiert)
All doneStart Wait forresponse
Wait for command
Ein zentrales Objekt erhaelt die Befehle von auswaerts und koordiniert die ProcessStages
PHENIX Counting house
View of the PEH Feb 7, 99
Einleitung:
Das RHIC Projekt
Theoretische Motivation
Der PHENIX Detektor
Das PHENIX Online Computing System
Die Zukunft:
Engineering Run 1999
Physics Run in 2000
Engineering Run 1999
Beschleuniger: Erfolgreiche Kommission von RHIC
• Blauer Ring:
• Beam bis zu 45 Minuten gespeichert, Beschleunigung bis zu 1 GeV
• Beam musste um “obstacles” herum manoevriert werden
• Gelbe Ring:
• keine lange Lebenszeit
PHENIX:
• Einige Detektoren (Prototypen und EMCAL) waren in der IR
• Vorwiegend Kommission des online systems
•Timing system, Trigger, Datenacquisitionskette
Physics Run 2000:
Kommission in vier Phasen:
• Bis Dez. 99: West Arm in IR, teilweise mit FEMs ausgestattet
• Maerz 2000: Ost Arm und MVD, FEM von EMCal und Tracking nur teilweise
• Sommer 2000: Muon Arm Sued
• 2001: Muon Arm Nord, alle FEMs
Physik Programm:
• 1% der Design Luminositaet (2 x 10^24)
• alle Daten sind minimum bias (bis 10% der Design Luminositaet)
• Global Variables (dN/d, dEt/d)
• Inclusive Hadron Spektrum (, K): Vergleich mit Modellen, K/
• Inclusive Photonen Spektrum und 0 (aber keine keine direkten Photonen)
• KK (ein Arm) - ee (zwei Arme)
• Open charm: pt> 2 GeV/c: ein Elektron (charm enhancement)
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