Robert Schöfbeck über `den LHC-startup, Eindrücke aus dem CMS-Kontrollraum`
Am Montag, den 23. November sind in den vier großen Experimenten des LHC am CERN erstmals Protonen kollidiert. Meine erste Schicht im Kontrollraum von CMS, eines der beiden grösseren der Experimente, beginnt beinahe rechtzeitig am folgenden Dienstag Morgen zwischen leeren Champagnerflaschen und vor sechs Monitoren die ich zu überwachen habe...
Seit diesem Dienstag wird also der LHC bei einer Beamenergie von 2x1200GeV kommissioniert, das heißt, um einen technischen Begriff durch andere zu ersetzen, man führt zum Beispiel beam-kick-tests durch und synchronisiert die RF`s. Treffen sich bei dieser Arbeit zwei Deutsch sprechende Menschen dann verfallen sie in Kürze auf das merkwürdige Sprachgemisch, das entsteht, wenn man deutsche Bindewörter und englische Nomen oder deren Abkürzungen verwendet. Das wiederum hat seinen Grund darin, dass beim Entwickeln und Hochfahren einer der komplexesten und in vielerlei Hinsicht am äußersten Rand des technisch möglichen stehenden Maschine sehr effiziente Kommunikation nötig ist; deshalb gibt es eine überwältigende Anzahl an Akronymen in jedem der Arbeitsgebiete. Da kann es schon mal vorkommen, dass man sich erkundigen muss: `LHC macht jetzt RF-sync, soll die DQM die LS-spikes loggen?`. Will man den Satz verstehen muss man schon ein bisschen in das Arbeitsleben am CERN eintauchen. Und man darf sich nicht an dem zwischendurch eingestreuten Englisch stören.
Webcam-Aufnahme des CMS-Control-rooms am P5 am CERN an einem recht turbulenten Tag.
Was ist also ein beam-kick-test? Was heißt RF-sync? Der Beam wird zuerst aus dem Vorbeschleuniger SPS (Super-Proton-Synchrotron) injected und dann gleich wieder gedumpt. Dabei legt er nur etwa ein Drittel des 27km langen LHC Tunnels zurück. Durch kleine Kicker-Magnete wird er etwas angestoßen und die Störung in der Grössenordnung von einigen Zehntelmillimetern wird auf dieser Strecke vermessen. Dieser beam-kick-test ist nur ein kleiner Teil des viel grösseren Projektes, die magnetische Strahlenoptik, die großen Cryodipole und die Beschleunigungseinrichtungen, letztere sind die sogenannten R(adio)F(requency)-Cavities oder einfach nur RFs, soweit zu kontrollieren, dass der Beam gefahrlos die nächsten Etappen im LHC nehmen kann. Ist das aber einmal ganz herum geschafft, dann lässt man ihn zirkulieren, zuerst nur einmal, dann einige zehn- bis hundertmal und schlussendlich -"beam captured"- so lange es geht. Das kann dann bis zu zehn Stunden dauern. Die Protonen sind dabei aber immer so gut wie mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs, daher benötigen sie für einen ganzen Umlauf etwas weniger als eine Zehntausendstelsekunde. In den beiden Strahlen sind die Protonen in 2808 sogenannter bunches aufgeteilt, Gruppen aus einigen Milliarden von Protonen. Diese bunches müssen genau im Zentrum der Detektoren zur Kollision gebracht werden und daher ist die Synchronizität der beams von höchster Wichtigkeit. Dezentrale Kollisionen sind für die Physik wertlos. Um einen etwas einfacheren Start zu ermöglichen wird nur jeweils ein bunch pro beam mit Protonen gefüllt.
RF-sync bedeutet also, dass die Beschleunigungskavitäten mit den einschießenden Strahlen synchron werden, sodass der beam eingefangen werden kann. Diese Tests sind am Bildschirm des DQM-Shifters (Data-Quality-Monitoring, also der Zuständige für die Überwachung der Güte der Daten) als kleine Spitzen in den Strahlintensitäten sichtbar. Anders gesagt, die LHC-Leute spielen mit dem beam und unser beam-monitoring beginnt zu zappeln. Da stellt sich mir als dem neuen DQM-Shifter natürlich die Frage, ob ich wirklich alle diese kleinen Details ins Logbuch eintragen soll. Glücklicherweise nicht, die Aufgabe beschränkt sich aufs Aufzeichnen der echten Strahlzeiten. Diese Information kann sehr wichtig werden, denn schon nach wenigen Stunden geht es in einer lebhaften eMail-Diskussion um ein bestimmtes Event, also eine Proton-Proton-Kollision, das verdächtig nach einem richtig rekonstruiertem sinnvollen Ereignis aussieht. Falscher Alarm, wie ein Blick ins Logbuch dieses Runs verrät, zu dieser Zeit war die Hochspannung des Siliziumtrackers offline, der Detektor lieferte also keine interpretierbaren Daten.
Monitoring der Energiedeposits im BDS (Beam-dump system). Die farbigen Punkte entsprechen gedumpten bunches, die dünne blaue Linie ist die berechnete Trajektorie des Strahls.
Unsere Datennahme erfolgt nämlich in sogenannten Runs, also einer bestimmten Zeit während CMS unter einigermaßen konstanten Einstellungen läuft. Es wird in drei Schichten durchgehend gearbeitet, minimal sind etwa 15 Personen im Kontrollraum. Der Shift-leader gibt dem DAQ-Shifter (Data-Aquisition, also das globale Steuerungssystem für die Datennahme) den Auftrag einen Run zu starten. Zu diesem Zeitpunkt hat der Trigger-Shifter konfiguriert auf welche Events getriggert wird. Triggern bedeutet hier, zu entscheiden, welche Events aufgezeichnet werden und dient der Reduktion der Datenrate auf ein realistisches Maß. Im Gegensatz zu Elektron-Collidern ist bei einem Proton-Collider der Trigger nämlich eines der wichtigsten Subsysteme. Pro Sekunde fallen im Vollbetrieb einige Petabyte an Daten an, welche auf einige hundert Megabyte reduziert werden müssen. Glücklicherweise sind aber die meisten Events uninteressant, tatsächlich erwarten wir nicht viel mehr als ein interessantes Event pro einer Milliarde Hintergrundevents, weshalb auch das meiste weggelassen werden kann. Nun ist es eine Eigenheit von Protonkollidern, dass man die Dynamik der einlaufenden Protonen nicht genau kennt, also nicht weiß, welche Protonen der beiden bunches kollidiert sind, und welchen Anteil ihrer Energie sie in diesem Kollisionsprozess abgegeben haben. Deshalb kann man die meisten Ereignisse nicht vollständig rekonstruieren, sondern muss Zählexperimente durchführen und allgemeinere Eigenschaften von Events wie Anzahl der Elektronen oder Myonen betrachten. Da kommt wieder der Trigger ins Spiel, denn wenn er die Datenrate des Hintergrundes und unseres gesuchten Signals auf verschiedene Weise reduziert, dann würde das unsere Ergebnisse verfälschen. Daher ist die Validierung des Triggers von höchster Wichtigkeit für jede Analyse.
Nach dem Starten des Runs beginnt die Aufzeichnung der Daten, der Trigger-Rate-Monitor überwacht die Rate mit der wir ans T0 senden, dem zentralen Computercluster am CERN, den alle Experimente nutzen. Kurze Zeit später sehe ich am Monitor die ersten Diagramme auftauchen und verschaffe mir einen Überblick ob alles läuft wie es soll. Wird der Run beendet, trage ich die time-stamps der beams ein und verbuche ihn in der Datenbank. Fällt eine Detektorkomponente aus, dann schließe ich mich mit dem Shifter dieses Systems kurz und allenfalls wird dann noch ein Experte angerufen, wenn sich das Problem nicht einfach beheben lässt. Da die mehrstufigen Auslesesysteme der Subdetektoren insgesamt über hundert Millionen Kanäle bewältigen müssen, und gleichzeitig tausende power-supplies die Komponenten mit Strom versorgen, sowie unzählige Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren den stabilen Betrieb überwachen, ergibt sich eine beträchtliche Anzahl an möglichen Fehlerquellen und Murphy`s law ist unerbittlich.
Während der Zeit des beam-commissionings war die Hochspannung an den inneren Siliziumdetektoren in der Nähe des beams abgeschaltet - zu groß ist die Gefahr, dass Teile davon den Detektor erreichen und irreversible Schäden verursachen. Sinnvolle runs mit stabilen beams und eingeschalteter HV (High Voltage) sind in der Anfangsphase aber ein langwieriges Unterfangen. Nach der Kommissionierung des LHC bei 1.2TeV, des QPS (Quench Protection Systems, die Mechanismen, die eingreifen, um Schäden zu verhindern, wenn ein supraleitender LHC-dipol lokal normalleitend wird), des Beam-dumps und anderer Systeme werden die Strahlen zunächst einige Zeit zirkuliert und auf die angestrebte Energie beschleunigt.
Während meiner ersten Nachtschicht hat LHC dabei den Rekordwert von 2x1.18TeV erreicht; das sind zwar bei weitem noch nicht die für das Frühjahr 2010 angestrebten 2x3.5TeV bzw. etwas späteren 2x5TeV und auch nicht die finalen 2x7TeV, aber ein erster Schritt dorthin und immerhin Weltrekord. Da während der Beschleunigungsphase der "beam quiet" ist, sieht man im Detektor nichts davon, denn noch ist er nicht zur Kollision fokussiert. In einem weiteren Schritt müssen erst die riesigen supraleitenden Magneten der Experimente langsam hochgefahren werden, und zwar während der beam im Beschleuniger ist, sodass das LHC-Team laufend gegen seine magnetische Kraftwirkung auf die Protonen kompensieren kann.
Screenshot des LHC-Monitorings während des Energieweltrekords von 2.36TeV. Die orange Linie ist die Energie, die grüne Linie ist die Intensität von beam 2.
CMS ist zylindrisch aufgebaut und wiegt 12.500t wobei 12.000t auf das Eisen entfallen, welches außerhalb des Magneten die Magnetfeldlinien eng am Detektor rückführt, sodass sich eine großer Wirkung auf die Spurkrümmung geladener Teilchen ergibt. Durch dieses Material befindet sich fast keine Luft im Detektor, das C steht deshalb für `Compact`. Die einzige Detektorkomponente, die sich, so wie das stählerne Rückflussjoch, außerhalb des Magneten befindet, sind die Myonkammern (M steht fuer `Myon` oder `muon`). Das ist möglich, da die Myonen auch sehr dicke Materialschichten durchdringen können und die entsprechenden Detektoren deshalb auch außerhalb des Magneten Platz finden dürfen.
Der zylindrische CMS-Magnet (S steht fuer Solenoid) kam bei diesem ramp als Dritter nach ATLAS und Alice an die Reihe. Es ist der größte supraleitende Magnet der Welt, hat knapp sechs Meter Durchmesser, ist 13 Meter lang und speichert 4 Gigajoule elektrischer Energie, die ausreichen würde 18 Tonnen Gold zu schmelzen. Das enorme Magnetfeld von vier Tesla stellt eine mechanische Beanspruchung für Magnet und Detektor da, vor allem solange es veränderlich ist; aber da der Strom in einem Supraleiter verlustfrei kreist wird der Magnet über viele Monate unverändert in Betrieb sein.
Am Montag, dem 30. November 2009 um 21h war der ramp des CMS-Solenoids abgeschlossen.
Ist also der Run gestartet und sind alle sensiblen Detektoren in standby, ist der beam injiziert und beschleunigt und außerdem der Magnet in Betrieb, dann gibt es eine erste Phase von einigen Minuten wo gar nichts passiert. Die beams laufen im Detektor aneinander vorbei, damit während dieses "quiet-beam"-Zeitfensters sichergestellt werden kann, dass alle Parameter nur in erwarteten Bereichen schwanken. Sollte einmal trotzdem etwas Unvorhergesehenes geschehen, ein Stromausfall etwa, dann aktiviert sich das QPS innerhalb einer Mikrosekunde und dumpt den beam.
Nach dieser Zeit erklärt das LHC-Team "stable beams", das bedeutet für die Detektoren die Möglichkeit die sensiblen Tracker einzuschalten um Teilchenspuren aufzuzeichnen. Noch gibt es keine Kollisionen. Das Prozedere welches der Shift-leader dabei zu durchlaufen hat ist ungeheuer aufwändig und das ist auch nötig, um Beschädigungen in allen Fällen auszuschließen. Er muss also im Kontrollraum zwei mal eine Runde machen und jeden einzelnen Subsystem-shifter dabei fragen, ob die Komponente bereit ist. Wenn alle Komponenten bereit sind, dann können die beams im Detektor gekreuzt werden. Dieses Kreuzen wird durch das Hochfahren von präzise gesteuerten Multipolmagneten bewirkt, die eine Ablenkung um einige Zehntelmillimeter bewirken. Ist es so weit gekommen, dann -endlich- kollidieren die Protonenbunches zentral in der Mitte des Detektors im Beamspot mit einer Fokussierung im Mikrometerbereich. Die Tracker schalten die Hochspannung ein und die Datennahme beginnt.
Eines der ersten von CMS aufgezeichneten Events.
In diesem Moment wird es für die Wissenschaft besonders interessant. Durch Effekte der Relativitätstheorie sind die bewegten Protonen nicht kugelsymmetrisch wie in ihrem Ruhesystem sondern zu dünnen Scheiben kontrahiert. Im Moment der Kollision dieser Scheibchen reagieren die Bausteine der Protonen, die Quarks und Gluonen, mit Energien wie sie zuletzt kurze Zeit nach dem Urknall verfügbar waren. Dabei entstehen schwere und instabile fundamentale Teilchen wie das schon entdeckte top-Quark oder eventuell ein supersymmetrisches Partnerteilchen wie das Gluino welches uns Aufschluss über die großen unbeantworteten Fragen, wie zum Beispiel die Natur der dunklen Materie im Weltall, geben könnte. Aber schon nach kürzester Zeit zerfallen diese Teilchen in komplizierten Kaskaden weiter und weiter bis zuletzt tausende sogenannter Mesonen und Hadronen, Teilchen also, die sich aus Quarks zusammensetzen, sowie die elementaren Elektronen, Myonen und Photonen unseren Detektor durchqueren. Es bewegen sich zwar alle mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, aber im Vollbetrieb des LHC erlaubt das bunch-spacing trotzdem nur eine Flugstrecke von etwa sieben Meter bevor die nächste Kollision stattfindet. Da CMS 21 Meter lang ist sind also bis zu drei Events gleichzeitig im Detektor. Das führt natürlich zu erheblichem Aufwand im Zuordnen der einzelnen Messungen in den Millionen Kanälen, da das Timing auf Milliardstelsekunden stimmen muss. Im Tracker wird analog ausgelesen, da Digitaltechnik zu viel Materialaufwand wäre, welcher die zu messenden Teilchen zu stark beeinflussen würde. Pulse-shaper bereiten das Signal auf, und speichern in Ringpuffer damit im Falle eines Triggers ausgelesen werden kann. Ein Teil der hohen technischen Anforderungen an den Trigger entstehen dadurch, dass natürlich auch die Signallaufgeschwindigkeiten nicht die Lichtgeschwindigkeit überschreiten können und damit, salopp gesagt, der Trigger nicht schneller als die aufzuzeichnenden Teilchen sein kann. Damit müssen etwa auch alle Kabellängen berücksichtigt werden. Die analogen Optohybride wandeln das elektrische in ein optisches Signal um, dann wird es mit Lichtwellenleitern aus dem Detektor herausgeführt, rückgewandelt auf ein elektrisches Signal und digitalisiert. Hat der Trigger entschieden dieses Event aufzeichnen, dann schicken die FED (Front-End-Driver) alles an die DAQ. Dort werden auf einer PC-farm zuerst einzelne Teile wie Spuren und Calorimetercluster rekonstruiert und in einem zweiten Schritt die Events daraus zusammengesetzt. Von dort geht`s dann einerseits an das T0 und andererseits zurück auf meine Monitore, an denen ich etwa ablesen kann, ob etwa manche Zellen statistisch zu selten (dead cells) oder zu häufig (hotcells) feuern.
Wenn alles gut läuft, kann so ein Run viele Stunden dauern, wobei alle 25 Nanosekunden bis zu 20 Kollisionen stattfinden. Sind die Daten am T0 sicher abgespeichert beginnt die mühevolle Arbeit der Analyse, das langwierige Verstehen der Eigenheiten des Detektors, die Reproduktion der bereits bekannten Ergebnisse aus dem Standardmodell, die Wiederentdeckung des Z-Bosons etwa oder die Messung der Masse des top-Quarks. Gleichzeitig wird dann die hektische Suche nach neuer Physik losgehen, das Vergleichen verschiedener Analyse- und Rekonstruktionsstrategien und der Abgleich mit Computersimulationen.
Eventdisplay des Trackers-Subdetektors. Die gelben Spuren sind aus Trackerrohdaten rekonstruiert.
Zu diesem Zeitpunkt, hoffentlich in einigen Tagen, Wochen oder Monaten, genauer lässt sich das erfahrungsgemäss nicht sagen, wird meine Schicht dann auch schon zu Ende sein und ich werde wieder von Wien aus an der weltweiten Kollaboration teilhaben.
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