Das PHENIX Experiment am RHIC C.Witzig Brookhaven National Laboratory www.rhic.bnl.gov/~witzig Zurich, Sept. 24, 99 www.phenix.bnl.gov.

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1 Das PHENIX Experiment am RHIC C.Witzig Brookhaven National Laboratory www.rhic.bnl.gov/~witzig Zurich, Sept. 24, 99 www.phenix.bnl.gov

2 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

3 Brookhaven National Laboratory Auf Long Island, 60m von New York City Interdisziplinaeres Forschungslabor (DoE) 3,500 Angestellte

4 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

5 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

6 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 Theoretische Motivation Der PHENIX Detektor Das PHENIX Online Computing System Die Zukunft: Engineering Run 1999 Physics Run in 2000

7 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 (d Teilchen > mfp ) Expansion der Hadronen (und Detektion)

8 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, –Grosse Fluktuationen von dN/ /d

9 Signaturen des QGP (2) 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/

10 Signaturen des QGP (3) Erhoehte Produktion von Strangeness and Charm Thermale Strahlung des Heissen Gases

11 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: A LL Partiaetsverletzende Asymmetrien: A L A LL

12 Spin Physik am RHIC (2) Polarisation der Anti-Quark: Asymmetrie der W+ Produktion gibt Aufschluss auf die Polarisation der Anti-Quarks Grosse Asymmetrien erwartet Signatur: ein isoliertes Lepton

13 Der PHENIX Detector Einleitung: Das RHIC Projekt Theoretische Motivation Der PHENIX Detektor Das PHENIX Online Computing System Die Zukunft: Engineering Run 1999 Physics Run in 2000 Ueber 400 Physiker von 43 Institutionen Vier arm spectrometer zentralen Detektor zwei zentrale Arme zwei Muon Arme 11 verschiedene Detektortypen

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15 April 1998 12.9.99

16 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 ~ 300 MeV/c 25% der Teilchen im EMCAL kommen nicht vom Vertex

17 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

18 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

19 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)

20 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)

21 Muon Arme Zwei 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

22 Das PHENIX Online Computing System BNL: S.Adler, E.Desmond, L.Ewell, H.Y.Kehayias, J.Haggerty, M.Purschke, R.Roth, C.Witzig NMSU 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 Theoretische Motivation Der PHENIX Detektor Das PHENIX Online Computing System Die Zukunft: Engineering Run 1999 Physics Run in 2000 Ueberblick vom Online System Wichtigsten ONCS Design Kriterien Einige Beispiele

23 Detektor #1 Timing Detektor #2 DCM LL 1 GL1 SEB #iSEB#k ATM Switch ATP #kATP #mATP #l Sun SMP PCSparc Station Control flow Data flow arcnet accept busy DCM Front End Readout Zero Suppression, Data Formatting (DSP in VME crates) Event Builder System Event Archive Monitoring TCP/IP

24 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

25 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

26 Uebersicht von den Software Komponenten

27 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 Host1Host2 X

28 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 );

29 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 1 fuer event type ZZ Data logger 2+3 fuer event type XY EMCAL Kalibrations Prozess DD #2

30 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)

31 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 Process Unit PU Design Process Stage PUD Config 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)

32 Run Control (2) ProcessStage sendet die Commands und wartet bis alle fertig sind (oder ein Error passiert) All doneStart Wait for response Wait for command Ein zentrales Objekt erhaelt die Befehle von auswaerts und koordiniert die ProcessStages

33 PHENIX Counting house View of the PEH Feb 7, 99

34 Einleitung: Das RHIC Projekt Theoretische Motivation Der PHENIX Detektor Das PHENIX Online Computing System Die Zukunft: Engineering Run 1999 Physics Run in 2000 Engineering Run 1999 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

35 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)