Teknisk utvikning: 130.000 fibrer som i en liten ask

av Jörgen Städje den 1 Jul 2015

Nja, en stor ask. Fem våningar hög, i en grotta 100 meter ned i marken. Atlasdetektorn vid CERN är het. Inte bara radioaktivt het, utan även fiberoptiskt. När de två protonstrålarna möts i mitten, far två moln av biljoner partiklar ihop i en enda jättesmäll med kraften av två godståg. Trots att de flesta missar, kolliderar så många att detektorerna i Atlas matar ut 2 petabyte kollisionsdata kontinuerligt.

Vad är det som händer i Atlas (och de andra detektorerna) vid Large Hadron Collider i Schweiz egentligen? Och varför blir det så mycket data? 2 petabyte per sekund är mer än hela Europas samlade telefontrafik.

Låt oss rekapitulera: CERN är en kärnforskningsanstalt som ligger på gränsen mellan Schweiz och Frankrike, där man försöker förstå materiens inre genom att slå sönder elementarpartiklar och se vad som faller ut ur dem. När två protoner krockar med tillräckligt hög hastighet går de sönder och kvarkarna och annat skoj som finns inuti, befrias, flyger iväg och kan detekteras. Därför kör man två protonstrålar åt motsatt håll i en lagringsring som är 27 kilometer i omkrets och ligger 100 meter under marken. På vissa ställen möts de båda strålarna och smällarna blir fruktansvärda. När en halv ampere protoner brakar ihop med en halv ampere protoner som går åt andra hållet i ljusets hastighet blir förödelsen total. Splitter av partiklarna kan detekteras genom flera ton järn.

atlas i genomskärning
Atlas-detektorn i genomskärning. Notera människorna (blå och gul) längst ned. Det ger en uppfattning om storleken. Bild: CERN.

Men det behövs en ordentligt stor detektor, som just innehåller många hundra ton järn. LHC-ringen har flera stycken och den mest kända är Atlas (A Toroidal LHC ApparatuS). Den är 22 meter i diameter.

fiberuppställning-scintillator
Bild: CERN

Atlasdetektorn innehåller av fem typer av detektorer, avsedda att hitta olika typer av partiklar, med olika egenskaper. Detektorelementen, många hundra tusen, ligger ”virade” runt kärnan som lagren i en lök. Ett av lagren kallas exempelvis för kalorimetern. Den är en blandning av detektorelement och järnbitar.

Här ser du en person som håller på att koppla samman en del av kalorimetern (Tile Calorimeter i förra bilden) med en annan, med ofattbart många optiska fibrer. Det svarta överst är lameller av det järn vi talat om tidigare, som ska bromsa partiklarna så att de kan mätas.

De optiska fibrerna i Atlas har två olika uppgifter. En del av dem, som i bilden ovan, överför ljusblänk från en detektorkammare till en pulsräknare. 130.000 andra fibrer för ut mätdata från pulsräknarna till datorutrustningen.

En smäll

Mycket förenklat ser en kollision mellan två protonpaket, grå och gröna, ut så här. De endast 16 mikrometer tjocka paketen möts i liten vinkel, 40 miljoner gånger per sekund. Av de biljoner protonerna i ett paket brukar omkring 19 stycken förintas varje gång. Det blir ändå cirka 800 miljoner partiklar per sekund.kollisionsbild

När två protoner krockar så illa att de går sönder helt, uppstår ett antal sekundära partiklar, kvarkar och annat, i form av partikelskrot. Då och då bildas till exempel en Higgspartikel. Då jublar alla forskare, öppnar champagnen osv. En fri Higgspartikel lever tyvärr bara i 0,0000000000000000000001 sekunder och hinner under den tiden endast färdas 0,00000000000003 meter. Den kan då exempelvis falla sönder i två Z-bosoner, som lever i 0,0000000000000000000000001 sekunder. Vardera. De hinner inte ens utanför strålröret innan de faller sönder igen i flera sekundära partiklar, som exempelvis fotoner i form av röntgenstrålning.

Det är fotonerna man kan detektera. När man väl snärjt dem i en detektor ska resultatet ut ur Atlas.

Vägen ut genom den fem våningar höga detektorn är så lång för en stackars partikel som går med ljushastigheten att nästa kollision hunnit inträffa i mitten av detektorn innan förra partikelskuren hunnit ut genom detektorns yttre vägg (och borrat in sig i berggrunden). Det gäller alltså att hålla ordning på vilken smäll man får träffdata ifrån också, eftersom flera alltså inträffar samtidigt i detektorn.

En del-detektor: pixeldetektorn

Allting går ut på att ta reda på exakt var alla sekundära partiklar kom ifrån, så man kan simulera smällarna efteråt i datorn. Därför behöver man en väldigt högupplöst inre detektor.

pixeldetektornPixeldetektorn. Protonstrålarna möts i hålet i mitten och partiklarna sprutar ut genom detektorkorten, de små staplade kretskorten runt detektorns väggar. Alla ledarna bär ut information om träffbilden. Bild: CERN.
pixeldetektornPixeldetektorn. Protonstrålarna möts i hålet i mitten och partiklarna sprutar ut genom detektorkorten, de små staplade kretskorten runt detektorns väggar. Alla ledarna bär ut information om träffbilden. Bild: CERN.

Bilden ovan visar pixeldetektorn, alltså den innersta av alla detektorer i Atlas. Den är mycket högupplöst och håller hela 80 megapixel i form av fotodioder som lämnar en kort puls ifrån sig varje gång skrotet efter en partikelkollision kör igenom en diod. Kom ihåg att det rör sig om kollisioner i 40 megahertz. En enkel multiplikation ger vid handen att pixeldetektorn ensam kan lämna ifrån sig 80×10^6 x 40×10^6 = 3,2×10^15 mätvärden per sekund. Det är givetvis orimligt mycket data och det mesta silas bort och lämnar aldrig detektorn, eftersom det är ointressant.

Ut i vida världen

Utdata från Atlas, som alltså ligger på petabytenivå, måste silas, eftersom ingen datorcentral i världen kan ta hand om en sådan kontinuerlig dataström. Turligt nog är de flesta kollisioner ointressant, känd fysik och data om dem kan kastas. Det sker i en trigganordning som tittar på utdata i tre nivåer och slänger bort det ointressanta. Kvar efter silningen blir 500 Mbps kontinuerligt mätdata som måste lagras och kalibreras.

pixeldetektornPixeldetektorn. Protonstrålarna möts i hålet i mitten och partiklarna sprutar ut genom detektorkorten, de små staplade kretskorten runt detektorns väggar. Alla ledarna bär ut information om träffbilden. Bild: CERN.
pixeldetektornPixeldetektorn. Protonstrålarna möts i hålet i mitten och partiklarna sprutar ut genom detektorkorten, de små staplade kretskorten runt detektorns väggar. Alla ledarna bär ut information om träffbilden. Bild: CERN.

Alla ledningar ut från Atlas består av optiska fibrer. Eftersom det är så många del-deketorer blir det upp till 130.000 optiska fibrer som bär data ut ur detektorn och upp till markytan.

Elektroniken i hela den stora acceleratorringen måste kopplas samman med knippen av optisk fiber för att hela ringen ska kunna köras synkront. Problemet med det är att ringen är kraftigt radioaktiv under drift och optisk fiber tenderar att gulna när den bestrålas. Därför har CERN fått utveckla särskilt stråltålig fiber.

Bild: CERN
Bild: CERN

Det går åt hela 2500 kilometer stråltålig fiber bara för att hålla ordning på LHC och allihop samlas i CERNs datorhall. Utöver det har man förlagt cirka 35.000 kilometer helt vanlig fiber i resten av anläggningen i schweiziska Meyrin. Normalt kan man blåsa en fiberkärna ett antal hundra meter genom en fiberslang, men det duger inte år folket på CERN. Det är cirka 3,3 kilometer mellan delarna i LHC. Alltså fick man utveckla metoder att blåsa fiber 3,3 kilometer. Nöden har ingen lag.

Resten är, som man brukar säga, historia. Det kalibrerade datat lämnar CERNs datorhall och vidarebefordras via andra fibernät ut till hungriga forskare i hela Europa. Utdata kommer att fylla det svenska fibernätet med obegripligt mycket data om partikelkollisioner, nu när LHC-ringen kört igång med partikelkrossandet igen.

Sunets roll i det har nämnts i en annan artikel, kallad ”Långartikel: Vad som har varit och vad som komma skall”.

Läs mer

Så kopplas Atlas in: http://techworld.idg.se/2.2524/1.276009/har-ska-universums-hemligheter-avslojas

Fler blogginlägg av Jörgen Städje

DNS och DNSSEC utan facksnack

30 Jan 2018
/ Bloggen fiberfeber

Från oss alla, till er alla

14 Dec 2017
/ Bloggen fiberfeber

Så arbetar NOC

13 Nov 2017
/ Bloggen fiberfeber

SUNET i Hongkong

20 Sep 2017
/ Bloggen fiberfeber

SUNETs handbok i informations- och IT-säkerhet

1 Sep 2017
/ Bloggen fiberfeber

Den ökända hästen från Troja

31 Jul 2017
/ Bloggen fiberfeber

Redundans är allt

3 Jul 2017
/ Bloggen fiberfeber

SNIC-snack

2 Jun 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff: del 5 av 2

3 Maj 2017
/ Bloggen fiberfeber

Maria Häll: We are at the Forefront!

13 Apr 2017
/ Bloggen fiberfeber

Maria Häll: Vi ligger i framkant!

10 Apr 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff, del 4 av 2

22 Feb 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff, del 3 av 2

30 Jan 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff! Del 2 av 2

9 Jan 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff! Del 1 av 2

16 Dec 2016
/ Bloggen fiberfeber

Long Read – Cleanliness is a Virtue

20 Sep 2016
/ Bloggen fiberfeber

Långläsning - tvättar bäst som tvättar först

16 Sep 2016
/ Bloggen fiberfeber

Följa fiber – från Tulegatan till Stockholms universitet.

26 Aug 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ericsson, then swänske Lars Magnus

7 Jun 2016
/ Bloggen fiberfeber

One ring to rule them all

24 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Den tunga bakgrundstrafiken

12 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Long read: How to Design a Fibre Optic Network

5 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Welcome to the Fiber Fever Blog!

3 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Procuring an Optical Network – Smooth as Silk

2 Maj 2016
/ Blogg

The Breadth and Width of a Megabit

29 Apr 2016
/ Blogg

The Nobel Prized Piece of Glass

28 Apr 2016
/ Blogg

What’s the time? Really?

28 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (3) – molnsäkerhet

26 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (2) – vad är molnet egentligen?

25 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (1) – det här får du

25 Apr 2016
/ Blogg

Read about the brand new Sunet network.

11 Apr 2016
/ Bloggen fiberfeber

GÉANT och NORDUnet – bästa kompisar

14 Mar 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ljuset kommer från Tyskland

3 Mar 2016
/ Bloggen fiberfeber

Thunderbirds are GO!

19 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ett panorama av verkligheten

17 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Det allseende ögat

15 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Förstärkning på längden

15 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Dämpning och förstärkning i optisk fiber

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Grundläggande om L-bandet

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

C-bandet – grundläggande om

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Logaritmer, min käre Watson

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

CERN – krossen som slår sönder materiens minsta byggstenar

12 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Riksarkivets samarbete med SUNET

11 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

One Ring to Rule them - Vetenskapsrådet

21 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Alla jättars jätte - Cisco

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

En värld av siffror - belastning

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Ur led är inte alls tiden - atomur

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

En djungel av kontaktdon

4 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Elektronisk enbärsdricka - Juniper

27 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Vad är Géant?

26 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Radar Love - Eiscat

25 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

The Color Purple - dispersion

25 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Full Metal Packet - switchen

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Get your kicks on route 66 - routrar

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Game of Stones - kvarts

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

The Twilight Zone - fotonen

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Peering – SUNETs ekonomiska ryggrad

9 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

I mörkret är alla katter infraröda

4 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fibertyperna i nätet och deras optiska felaktigheter

29 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Vad är klockan? Egentligen?

21 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Nätets centrum

20 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Den optiska transceivern

17 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Polarisation och informationsöverföring

1 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Laserns historia

30 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Koherent ljus, vad är det?

28 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

När allt är klart

28 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

SUNET – nu ännu bättre!

16 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fibern fruktar fukten

11 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Att få kontakt

11 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Så tillverkas optisk fiber

31 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

EMC – EMI – EMP

31 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Glasbiten som gav nobelpris

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Megabit på längden och tvären

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Långartikel: Fibern från Frostmofjället

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Upphandling av optiskt nät

25 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

OptaSense – när fiber blir sensorer

3 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: Optisk magi med ramanförstärkare

2 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

NOCen spekulerar 2: Felrapporter

27 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

NOCen spekulerar 1: hög belastning

26 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: Optisk magi med EDFA

22 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Långartikel: Så designar man ett fiberoptiskt nät

11 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Bredare motorväg för svenska data – äntligen en offensiv satsning!

22 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Om den interaktiva tidslinjen

21 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Om den interaktiva kartan

20 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fiberfeber: Vad som har varit och vad som komma skall

19 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Följ bygget av Sunets nät på bloggen Fiberfeber!

18 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: den mystiska routerkraschen

11 Jun 2006
/ Bloggen fiberfeber

2000–2013: Sunet mognar och kapaciteten ökar. Identitetsfederation skapas.

1 Jan 2000
/ Bloggen fiberfeber

1990–1999: Kapaciteten stiger, 2 – 34 – 155 Mbps

1 Jan 1990
/ Bloggen fiberfeber

1968–1989: Idéernas tidevarv. Internets vagga.

1 Jan 1968
/ Bloggen fiberfeber

Jörgen Städje

Jag heter Jörgen Städje och har skrivit om teknik och vetenskap sedan 1984. Friskt kopplat, hälften brunnet!