Система сбора данных в физике высоких энергий¶

Система сбора данных в физике высоких энергий (англ. Data Acquisition System, DAQ) — комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающий регистрацию, оцифровку, фильтрацию и хранение данных, поступающих от детекторов элементарных частиц в экспериментах на ускорителях и в исследованиях космических лучей. Основной функцией DAQ является преобразование аналоговых сигналов с чувствительных элементов детектора в цифровой вид с последующей селекцией событий, представляющих научный интерес, и записью их на долговременные носители.

¶Архитектура и основные компоненты

Типичная система сбора данных в экспериментах физики высоких энергий строится по иерархическому принципу и включает несколько ключевых уровней обработки.

¶Фронтенд-электроника

Первый уровень — фронтенд-электроника (front-end electronics), расположенная непосредственно у детектора. Она выполняет первичное усиление слабых сигналов, их формирование, аналого-цифровое преобразование (АЦП) и временную привязку. В современных экспериментах, таких как ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК), фронтенд-модули размещаются внутри объёмов детекторов и работают в условиях высокой радиации и сильных магнитных полей. Это накладывает ограничения на используемую элементную базу и требует применения радиационно-стойких микросхем.

¶Триггерная система

Ключевым элементом DAQ является триггер — система, принимающая решение о том, какие события сохранять. Полная частота столкновений частиц на современных коллайдерах достигает десятков миллионов событий в секунду (например, 40 млн на БАК), однако объём данных, который можно записать на диск, ограничен. Триггерная система многоуровнева:

• Аппаратный триггер (уровень 1, L1) — работает на специализированных электронных платах и использует грубые данные для отбора событий по наличию высокоэнергетичных частиц или их совпадений. Снижает частоту до десятков-сотен килогерц.
• Программный триггер (высокие уровни, HLT) — реализован на фермерских кластерах (компьютерных фермах) и выполняет более точную реконструкцию треков частиц и энергий в реальном времени. После обработки HLT частота записываемых событий снижается до 1–10 кГц.

¶Система считывания и построения событий

После прохождения триггера данные с различных подсистем детектора собираются в единое «событие». Для этого используется сеть коммутаторов и буферная память, которые агрегируют информацию от всех каналов. Время, отведённое на сбор данных одного события, ограничено скоростью следующего триггерного сигнала, поэтому система строится на конвейерном принципе.

¶Хранение и управление данными

Отобранные события передаются в систему хранения (storage system) и далее в центры обработки данных (грид) для последующего физического анализа. Управление всей системой осуществляется через программное обеспечение DAQ, которое отвечает за конфигурацию, синхронизацию, мониторинг состояния и диагностику неисправностей.

¶Проблема больших объёмов данных

Современные эксперименты генерируют петабайты данных в год. Например, эксперимент CMS в 2018 году записал более 30 петабайт. Для решения проблемы хранения применяются многоуровневые системы: быстрые дисковые массивы для «горячих» данных и ленточные библиотеки для архивного хранения. Сжатие данных и оптимизация форматов записи также являются важными задачами.

¶Особенности реализации на современных установках

На Большом адронном коллайдере системы сбора данных строятся на базе стандартных сетевых технологий Ethernet и высокопроизводительных серверов. В эксперименте ATLAS используется система на основе сети InfiniBand, обеспечивающая пропускную способность до сотен гигабит в секунду. Для синхронизации всех подсистем применяются распределённые тактовые генераторы, передающие сигналы времени по оптоволокну.

В экспериментах по физике космических лучей, таких как обсерватория Pierre Auger, DAQ работает в автономном режиме: детекторы на большой площади передают данные по беспроводным или кабельным сетям на центральный пункт сбора, где производится триггерная обработка.

¶Программное обеспечение

Программная часть DAQ включает:

• драйверы и библиотеки для работы с фронтенд-модулями;
• системы управления конфигурацией (например, OKS в ATLAS);
• промежуточное ПО для передачи данных (DDS, Data Distribution Service);
• системы мониторинга (Grafana, Elasticsearch).

¶Применение за пределами физики высоких энергий

Разработанные технологии DAQ находят применение в смежных областях: в медицинской томографии, нейтронных источниках, астрофизике, а также в системах промышленного контроля. Подходы к триггированию и фильтрации данных используются при обработке больших массивов информации в финансовом секторе и телекоммуникациях.

¶Источники

• The ATLAS Data Acquisition System: from Run 1 to Run 2, Journal of Physics: Conference Series, 2014.
• CMS DAQ System, CERN Technical Report, 2017.
• W. Smith, Data Acquisition Systems in High Energy Physics, Annual Review of Nuclear and Particle Science, 2012.
• Документация эксперимента Pierre Auger Observatory, 2015.