Учёные ИЯФ СО РАН разработали систему для анализа большого объема данных в эксперименте Belle II

Ученые Института ядерной физики им. Г.И.Будкера (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Японии и Кореи разработали электронику регистрации и программное обеспечение для калориметра в международном проекте BelleII на коллайдере KEKB (Цукуба, Япония). Перед физиками стояла непростая задача – установка будет производить более 30 тысяч полезных событий в секунду, которые нужно анализировать, что более чем в тридцать раз превосходит поток полезных событий предыдущего эксперимента – Belle. Система уже прошла предварительную проверку и через год будет запущена в работу.

5 сентября в ИЯФ СО РАН началось трехдневное международное рабочее совещание, посвященное системе триггера и сбора данных детектора. (TheBelle II Trigger/DAQ workshop). В совещании принимают участие ученые из России, Японии, Кореи, Германии и других стран.

Целью эксперимента Belle II является исследование физики B-мезонов, нарушения CP-четности и поиска «новой физики», сообщил участник совещания, координатор группы Системы сбора данных (DAQ) профессор Рёсуке Ито (Ryosuke Itoh, Лаборатория ускорителей высокий энергий KEK). Он подчеркнул, что сейчас подготовительные работы подходят к концу, и в 2018 году планируется начало эксперимента с пучками сталкивающихся электронов и позитронов коллайдера SuperКЕКВ.

Детектор BelleII состоит из нескольких систем, предназначенных для регистрации заряженных и нейтральных частиц. Задача системы сбора данных состоит в приёме и быстром анализе сигналов со всех элементов детектора, а также в формировании блоков данных, относящихся к определенному событию и записи их для последующей обработки.

Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Александр Степанович Кузьмин является координатором группы калориметра детектора Belle II и одним из разработчиков системы сбора данных для этой системы. Он пояснил, что каждый детектор элементарных частиц – это уникальная установка, и система сбора данных ориентирована на задачи, которые она решает. «Специфика данной системы в том, – подчеркнул ученый, – что она должна обрабатывать до 30 тысяч событий в секунду. Предыдущая система на эксперименте Belle работала c загрузкой, меньшей в 30 раз. Большие объемы информации ставят жесткие требования как к подсистемам детектора, так и к системе сбора данных».

Система сбора данных – многоступенчатая, в ней задействована сложная электроника считывания и несколько сотен компьютеров. На первом уровне происходит оцифровка и обработка данных с детектора и «упаковка» информации. После этого данные с каждой системы калориметра считываются своей «фермой» компьютеров.

Информация передается не по проводам, а по оптическим кабелям, что позволяет обеспечить большую пропускную способность и лучшую защиту от помех.
Затем происходит объединение данных со всех систем детектора и проводится быстрый анализ событий, позволяющий отбрасывать фоновые события. Система фильтрации должна исключить как можно больше фоновых событий, пропуская полезные. События, прошедшие систему фильтрации, записываются на диски. В дисковом хранилище информация будет храниться более 10 лет – в течение всего времени работы эксперимента и анализа экспериментальных данных.

Суть дальнейшего анализа состоит в том, чтобы выявить из миллиардов записанных событий те, которые действительно представляют интерес, например, рождение редкой частицы. «Электрон и позитрон столкнулись, – приводит пример Александр Кузьмин, – провзаимодействовали, и родилась пара новых тяжелых частиц, B-мезонов. Они, отлетев, распались на дочерние частицы, D-мезоны, каоны, пионы и другие. D-мезоны, в свою очередь, тоже распались. В среднем в каждом взаимодействии рождается более десяти относительно долгоживущих частиц, которые регистрируются детектором, и информация о которых сохраняется на дисках».

При анализе данных, используя информацию о конечных частицах (импульс, энергию, направление), можно восстановить цепочку промежуточных частиц и всё событие. Отдельные из них можно визуализировать на экране дисплея, а из анализа энергетических и угловых спектров и их корреляций можно получать новую информацию о законах взаимодействия в микромире.

Справка

Первые электрон-позитронные коллайдеры были предложены и реализованы в новосибирском Институте ядерной физики в начале 60-х годов XX века. Сейчас учёные из ИЯФ СО РАН работают как на установках в родном институте, так и во многих международных центрах.

SuperKEKB – электрон-позитронный коллайдер, создаваемый в Лаборатории физики высоких энергий (KEK) в Цукубе (Япония). Коллайдер SuperКЕКВ будет иметь самую высокую в мире светимость. Это открывает совершенно новые возможности для изучения редких распадов B-мезонов и тау-лептона, а также поиска эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели. Этот проект является продолжением и развитием крупного международного эксперимента Belle, который проводился в лаборатории КЕК на коллайдере KEKB в 1999-2010 годах. Именно здесь впервые, параллельно с экспериментом BaBar в лаборатории SLAC (США), было экспериментально обнаружено нарушение закона сохранения комбинированной четности в распадах B-мезонов. В 2008 году японские физики М.Кобаяши и Т.Маскава, предсказавшие ранее это явление, были удостоены нобелевской премии.

Коллайдеру KEKB принадлежит мировой рекорд светимости установок со встречными пучками. Проектная светимость нового коллайдера – SuperKEKB – в 40 раз превосходит светимость своего предшественника и составляет 8x10³⁵ см^-2с^-1. Это открывает совершенно новые возможности для изучения редких распадов B-мезонов и тау-лептона, а также поиску эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели. Среди возможных примеров таких эффектов – отклонение суммы углов Треугольника Унитарности от 180 градусов, обнаружение процессов, идущих с нарушением лептонного числа.

Новый эксперимент будет выполняться международной коллаборацией Belle II, в состав которой входит более 600 исследователей из 23 стран Азии, Европы и Северной Америки. ИЯФ СО РАН – один из основных российских партнеров. При определяющем участии Института разработана и создана одна из ключевых систем детектора Belle – 40-тонный электромагнитный калориметр на основе кристаллов йодистого цезия. Для нового эксперимента новосибирскими исследователями разработана электроника регистрации, создано программное обеспечение.

ИЯФ СО РАН внес большой вклад в создание ускорительного комплекса нового коллайдера. В институте разработано и изготовлено более 700 вакуумных камер общей длиной около 2 километров, предназначенных для обеспечения сверхвысокого вакуума в позитронном кольце коллайдера, изготовлено 220 корректирующих магнитов. Все оборудование успешно работает в лаборатории KEK.

Новосибирскими физиками из ИЯФ СО РАН и Новосибирского государственного университета (НГУ) разработаны новые модельно-независимые методы анализа экспериментальных данных, которые позволят улучшить точность измерения параметров нарушения комбинированной четности. Предложен и реализован новый подход к изучению новых экзотических состояний материи – тяжелых кваркониев.