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El nuevo sistema uROS de CMS ya está tomando datos

 

08/08/2018

Energías renovables y ahorro energético

El nuevo sistema uROS (micro Read Out Server) instalado en el detector CMS (Compact Muon Solenoid) por miembros de la División de Física Experimental de Altas Energías y la Unidad de Electrónica del CIEMAT durante la parada técnica 2017-2018 del LHC (Large Hadron Collider) del CERN, está tomando datos en colisiones de protón-protón a 13 TeV de forma muy satisfactoria.

 
 

El incremento de luminosidad que se está consiguiendo con el colisionador LHC, exige adecuar los detectores y la electrónica de los mismos a las nuevas condiciones de ocupación, tasa de datos y velocidad de procesado. El CIEMAT participa desde su diseño y construcción en el detector de las cámaras de deriva de CMS y es responsable de su sistema de lectura, que lleva funcionando desde el 2009 en el detector. El segundo nivel de este sistema, la tarjeta ROS-25, veía limitada su capacidad de procesado a las más altas luminosidades esperadas hasta 2024, del orden de un factor 2 la luminosidad nominal del LHC. Por ello, el equipo de actualización del detector CMS del CIEMAT, liderado por Cristina Fernández Bedoya, ha desarrollado un nuevo sistema de electrónica de lectura para las cámaras de deriva denominada uROS.

  

Tras el traslado de las tarjetas ROS-25 de la caverna experimental a la de servicio (Sector Collector Relocation) durante la última parada técnica larga del LHC (2013-2014), se abría la posibilidad de realizar un nuevo diseño basado en los estándares más punteros de telecomunicaciones sin necesidad de cumplir con las estrictas normas de operación (radiación, campo magnético, consumo reducido) presentes en la caverna de CMS, para la que fue diseñada la tarjeta ROS-25. De esta manera, la tarjeta uROS, diseñada en una colaboración liderada por Andrea Triossi, anteriormente miembro de la Universidad de Padova, sigue el estándar uTCA de los sistemas de telecomunicaciones y está basada en una FPGA (Field Programmable Gate Array) Virtex 7 que permite realizar la adquisición de datos de hasta 72 canales por tarjeta para los 1500 procedentes del detector, un factor 3 de integración con respecto a la ROS-25. La información procedente de estos 72 canales de fibra óptica lentos (a 240 Mbps) se empaquetan en eventos síncronos y se transmiten a alta velocidad (5-10 Gbps) al sistema central de adquisición de datos de CMS, garantizando la integridad de mismos durante su transmisión con alta fiabilidad. El firmware de esta tarjeta ha sido realizado principalmente por Álvaro Navarro, investigador del CIEMAT, y, además de la integración con todos los sistemas de control y monitorización, sincronización y adquisición de datos, incluye un sistema inteligente de recuperación automática de los enlaces en caso de problemas de integridad, lo que ha permitido incrementar la fracción de canales activos en el detector de DTs del 98% al 99%. El software online de este sistema también ha sido desarrollado en el CIEMAT por Álvaro Navarro y David Redondo.

  

Una vez fabricadas y montadas, las 30 tarjetas uROS fueron probadas gracias a un sistema de pruebas desarrollado por Javier Sastre Álvaro. El técnico especialista de la División de Física Experimental de Altas Energías, David Francia Ferrero, se desplazó al CERN para instalar el sistema en la caverna de servicio del experimento CMS. Bajo la dirección de Ignacio Redondo Fernández, coordinador técnico de muones de CMS e investigador del CIEMAT, se procedió al descableado y retirada de los cinco chasis VME de la tarjeta ROS-25 y la instalación de los nuevos chasis de estándar uTCA que contienen las nuevas tarjetas uROS, así como al cableado de las conexiones de fibra óptica que unen la caverna experimental de CMS con la de servicio.

  

Además, se ha instalado un sistema de divisores ópticos pasivos que, sin afectar a la operación del experimento, alimenta  con datos reales del detector un sistema de prueba dedicado al desarrollo de electrónica y algoritmos para la segunda fase de la actualización de CMS. Dicha mejora, que ya se prepara hoy, será operativa a partir de 2026, cuando el LHC alcance la fase de alta luminosidad.

  

“La instalación y puesta a punto del sistema uROS ha sido un éxito, y se ha recobrado aproximadamente la mitad de los canales muertos presentes en el sistema anterior, gracias fundamentalmente al más sofisticado y robusto sistema de decodificación de los enlaces de entrada implementado”, señala la investigadora del CIEMAT Cristina Fernández Bedoya. El LHC comenzó a tomar datos con colisiones en abril de este año y desde entonces se ha monitorizado el funcionamiento de las nuevas tarjetas uROS durante su operación en CMS. “Su comportamiento ha sido excelente, y no se ha producido ninguna incidencia en su funcionamiento ni ha sido necesario detener ninguna toma de datos debidos a problemas de nuestra tarjeta”, añade Fernández Bedoya. Tampoco se ha descartado ningún evento de la toma de datos debidos a problemas de este sistema. En total en lo que va de año se han tomado 22.43 fb-1 de colisiones, que es muy cercano a todos los datos que se tomaron durante el Run 1 (2009-2012), y se han alcanzado luminosidades máximas de 2.09 1034 cm-2 s-1 (más de dos veces la nominal).

  

En las figuras inferiores se puede observar cómo la eficiencia de reconstrucción de segmentos de muones en el detector de las cámaras de deriva es muy elevada y mejora aún con el sistema de uROS en 2018. También se muestra una imagen del software de monitorización desarrollado donde se puede ver la distinta ocupación de todo el sistema de cámaras de deriva durante una toma de datos con colisiones.

  

Se ha de hacer hincapié en la importancia, el interés tecnológico y la complejidad de la actualización de un experimento tan relevante como CMS, sin la cual no se podrían obtener los resultados científicos deseados, así como el formidable y minucioso trabajo que realizan en CMS los físicos, ingenieros y técnicos de la División de Física de Altas Energías y de la Unidad de Electrónica del CIEMAT, en colaboración con equipos de otros países.

   
 

Imagen 1: Imagen de la tarjeta uROS para la lectura de segundo nivel de las cámaras de deriva de CMS del LHC.

  

Imagen 2: Imagen de los 4 chasis uTCA que alojan las tarjetas uROS tras su instalación en el detector CMS durante la parada técnica de 2017-2018.

  

Imagen 3: Eficiencia de reconstrucción de segmentos en las cámaras de deriva de CMS para el sistema antiguo de ROS-25 con datos de colisiones del año 2017 (izquierda) y para la nueva electrónica de lectura uROS con datos de colisiones del año 2018 (derecha).

  

Imagen 4: Imagen del software online de monitorización del sistema desarrollado en el CIEMAT para la tarjeta uROS. Se observan los datos de ocupación de los 1500 enlaces de entrada en todo el detector CMS.

  
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