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Projekt CBM

 

 

The Compressed Baryonic Matter Experiment – Timing and Fast Control

Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment ist eine der großen wissenschaftlichen Säulen der zukünftigen Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt. Das Ziel des Forschungsprogramms CBM ist es das QCD (quantum chromodynamics) Phasendiagramm im Bereich hoher Baryonendichten mittels hochenergetischen Nucleus-Nucleus Kollisionen zu erforschen. Dies schließt die Erforschung der Zustandsgleichung von Kernmaterie bei hohen Dichten und die Suche nach den deconfinement und chiral phase transitions ein.

Im Falle einer Kollision zweier Nuclei am Target, werden verschiedene Arten von Teilchen und Strahlung emittiert. Ein Magnetfeld beugt dabei die Trajektorie der Teilchen in Abhängigkeit ihrer Masse. Um die Arten der Teilchen voneinander unterscheiden zu können und ihre Eigenschaften zu analysieren, sind verschiedene Arten von Detektoren hinter dem Target platziert (STS bis ECAL).

 

 

 

 

 

 

 

Die Detektorelemente sind an Sensorelektronik angeschlossen, welche im Ganzen Datenmengen im Terabitbereich erzeugen. Um mit einer solchen Menge an Daten umgehen zu können, ist die Frontend Elektronik mit einer großen Anzahl FPGAs (~1000) verbunden, welche die aufgezeichneten Daten vorverarbeiten und an die Sever Farm weiterreichen, die die Track Reconstruction durchführt.
Eine besondere Eigenschaft des CBM Experiments ist die Art und Weise, wie die Daten am Frontend erfasst werden. Im Vergleich zu Experimenten, wie LHCb am CERN, bei welchem eine getriggerte Detektorausleseelektronik verwendet wird (synchronisierte Bunches aufgezeichneter Daten), ist die CBM Elektronik selbst-triggernd, d.h. die elektronischen Einzelkomponenten entscheiden, wann Daten aufgezeichnet werden sollten, was dazu führt, dass die Elektronik der Datenaufzeichnung (DAQ) einen kontinuierlichen Datenstrom handhaben muss.
Als Konsequenz, besteht somit die Anforderung die Datenaufnahme genau zu synchronisieren, sowohl im Sinne der Frequenz als auch der Zeit. Damit wird es für jeden Zeitpunkt der Datengewinnung möglich die gewonnenen Daten eines einzelnen ASICs des Detektorfrontends sowohl in den Kontext der Daten des gesamten Detektors, als auch den Kontext der Daten aller anderen Einzeldetektoren zu setzen.
Gerade bei solch hohen Datenraten, ist es ohne eine korrekt synchronisierte Auslesekette nicht mit akzeptablem Aufwand möglich, die Tracks der Teilchen durch die Server Farm zu rekonstruieren.

Das ITIVs arbeitet im Rahmen des CBM Experiments am Entwurf des Timing and Fast Control Systems, dessen Aufgabe dieser oben erwähnte integrale Teil der Detektorauslese ist.

 

 

German Project partners:

 

  • GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenphysik, Darmstadt
  • Bereich Computer Science, Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik, Berlin
  • Institut für Technische Informatik, Universität Heidelberg
  • Institute for Computer Science (IRI), Goethe-Universität Frankfurt
  • Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS), Frankfurt am Main
  • Lehrstuhl für Experimentalphysik, Technische Universität, München
  • Institut für Kernphysik, Technische Universität, Darmstadt
  • Institut für Kernphysik, Johann Wolfgang Goethe-Universität, Frankfurt am Main
  • Institut für Kernphysik, Westfälischen Wilhelm-Universität, Münster
  • II. Physikalisches Institut, Justus-Liebig-Universität, Gießen
  • Physikalisches Institut, Eberhard Karls Universität, Tübingen
  • Institut für Theoretische Physik, Ruprecht-Karls-Universität, Heidelberg
  • Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften, Bergische Universität, Wuppertal

 

 

Publications

 

  • L. Meder, M. Dreschmann, O. Sander, J. Becker
    A signal distribution board for the timing and fast control master of the CBM experiment
    In Topical Workshop on Electronics for Particle Physics (TWEPP) 2015, Band 11, S. 9, 2015

 

Master Theses:

  • Nandor Szirmak, “Analysis of Interconnection and System Concepts for the Construction of a TFC-System”, October 2014 – April 2015
  • Juri Lebedev, “Design of a system for synchronizing a distributed FPGA system”, November 2015 – May 2016

Project Webpage: https://www.gsi.de/work/forschung/cbmnqm/cbm.htm

 

Pictures

 

 

 

 

 

Group photo from the 26th Collaboration Meeting in Prague, autumn 2015
http://www.fair-center.eu/fileadmin/fair/experiments/CBM/fotos/group_photo_4.JPG

 

 

Group photo from the 25th Collaboration Meeting at GSI, Darmstadt, spring 2015
http://www.fair-center.eu/fileadmin/fair/experiments/CBM/fotos/CollMeetApr2015.jpg