Das PHENIX Experiment am RHIC C.Witzig Brookhaven National Laboratory witzig Zurich, Sept. 24, 99 .

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


Der PHENIX Detektor


Die Zukunft:


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


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/


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


Der PHENIX Detektor


Die Zukunft:


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


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


Der PHENIX Detektor


Die Zukunft:


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


Der PHENIX Detektor


Die Zukunft:


Physics Run in 2000


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)

Das PHENIX Experiment am RHIC C.Witzig Brookhaven National Laboratory witzig Zurich, Sept. 24, 99 .

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