Az extrém sűrű maganyag legforróbb és leghidegebb fázisainak vizsgálata

Az extrém sűrű maganyag legforróbb és leghidegebb fázisainak vizsgálata Barnaföldi Gergely Gábor, CERN LHC ALICE, MTA Wigner FK RMI, MaFiHe Téli Iskola, ELTE TTK Budapest, 2018. február 2. Web: htp://alice.kfi.hu Résztvevők: Kísérlet: Gy. Bencédi, L. Boldizsár, E. Dávid, L. Gáll, Á. Gera, G. Hamar, J. Imrek, T. Kiss, K. Kapás, M. Kőfaragó, P. Lévai, M. Nguyen B. Szilágyi, D. Varga, M. Vargyas, O. Visnyei, R. Vértesi Elmélet: D. Berényi, G. Bíró, T.S. Biró, Sz. Karsai, P. Lévai, P. Pósfay, D. Nagy, M. Németh,Á. Takács, M. Gyulassy, G.Y. Ma, G. Papp, K.M. Shen, X.N. Wang, B.W. Zhang. Támogatás: TET 12 CN-1-2012-0016, K120660 (2016-2020)

MTA Wigner FK Részecske- és Magfizikai Intézet Nehézionfizika Wigner kutatócsoport: Biró Tamás Sándor Magyar ALICE Csoport: Varga-Kőfaragó Mónika, Vértesi Róbert 2

TARTALOM Jelen: Nagyenergiás ütközések vizsgálata A CERN LHC ALICE kísérlet Magyar ALICE Csoport tevékenységei Kutatásfejlesztések az LS3-ig (TPC UG, DAQ UG) Elméleti kutatások, fejlesztések Nagyenergiás nukleáris effektusok vizsgálata (árnyékolás, jet elnyomás), fragmentáció nem-extenzív statisztikus fizikával Jövő: A nagyenergiás magfizika jövője Elméleti kutatások és szoftveres megoldások Szoftverfejlesztések a jövő gyorsítóihoz (HIJING++, GEANTV) 3

MOTIVÁCIÓ 4

Az anyag tulajdonságai, fázisai Szeretnénk megismerni egy anyag tulajdonságait 5

Az anyag tulajdonságai, fázisai Egy egyszerű anyag fázisdiagramja 8

Az anyag tulajdonságai, fázisai Egy egyszerű anyag fázisdiagramja 9

Az anyag tulajdonságai, fázisai Egy egyszerű anyag fázisdiagramja extrém környezetben 10

Az anyag tulajdonságai, fázisai Nem is gondoljuk, hogy ez mennyire tudományos kérdés 11

Az anyag tulajdonságai, fázisai Nem is gondoljuk, hogy ez mennyire tudományos kérdés 12

A korai Univerzum anyaga: forró sűrű ősanyag Egy bonyolultabb anyag fázisdiagramja extrém környezetben 13

A korai Univerzum anyaga: forró sűrű ősanyag Az első 3 perc 1 4

A korai Univerzum anyaga: forró sűrű ősanyag Az első 3 perc 13,6 Mrd év 1 5

Jelen: Kutatásfejlesztések a CERN ALICE kísérletben 1 6

Az ALICE kísérleti együttműködés 1 7

5 ALICE A Nagy Ionütköztető Kísérlet

ALICE A Nagy Ionütköztető Kísérlet 1200 fő, 36 ország, 151 kutatóintézet, 160kCHF 6

7 Szolenoid mágnes 0.5 T Kozmikus sugárzás trigger Forward detektorok PMD FMD, T0, V0, ZDC Specializált detektorok HMPID PHOS Központi nyomkövető rendszer ITS TPC TRD TOF MUON Spektrométer elnyelő anyagok nyomkövetők trigger kamrák dipól mágnes

A korai Univerzum anyaga: forró sűrű ősanyag proton-proton ólom-ólom Kvark Gluon Plazma (QGP): proton-proton vs. ólom-ólom forró, színes (kvark+gluon) a tökéletes folyadék... 2 1

A korai Univerzum anyaga: forró sűrű ősanyag proton-proton ólom-ólom Kvark Gluon Plazma (QGP): proton-proton vs. ólom-ólom forró, színes (kvark+gluon) a tökéletes folyadék... 22

Az ALICE eredményei a QM15 konferencián 23

Magyar részvétel a CERN LHC ALICE kísérleti együttműködésben 24

A Magyar részvétel az ALICE kísérletben TPC K&F Elmélet CRU2 K&F Analízis Detektor K&F ALICE Tier2 DAQ UG 25

ALICE adatok elemzése 26

ALICE adatok elemzése azonosított hadronok vizsgálata Feladat: Hadronok spektrumának mérése részecske azonosítással (pion, kaon, proton) Nehéz feladat, több detektor végzi: TPC+TOF Időprojekciós kamra+repülési idő kicsi pt<1 GeV/c és pt> 5 GeV/c nagy impulzusú tartományban HMPID RICH, Cserenkov detektor 1GeV/c <pt < 5 GeV/c közepes impulzusú tartományban ITS másodlagos vertex módszer Azonosított hadronspektrumok tömeg és ízfüggés, triggerelt korrelációk 27

ALICE adatok elemzése azonosított hadronok vizsgálata Eredmények: TPC+TOF Bencédi Gy. Pion, kaon, proton spektrumok, hadronarányok, nukleáris módosulás faktor: pp 7 TeV (pp 13 TeV), PbPb 5 TeV, ppb 2.7 TeV HMPID Oláh L Visnyei O Pion, kaon proton spektrumok, hadronarányok, kvark/gluon jetek szeparációja HMPID Cserenkov radiátor öregedésvizsgálata 2 Új irány (ITS) Vértesi R, Kőfaragó M, Szigeti B B-jetek vizsgálata, tagged bomlások Részecskekorrelációk vizsgálata 0

Részvétel az ALICE detektor fejlesztésében (2018-2019) 21

22 A Nagy Hadronütköztető (LHC) fejlesztési terve

Az ALICE detektor fejlesztése az LS2 során 31

A világ legnagyobb GEM-alapú időprojekciós kamrájának (TPC) kutatásfejlesztése és építése ReGaRD & Innovatív Gázdetektorok Lendület Kutatócsoport Varga D (PI) Boldizsár L, Hamar G, Oláh L, Gera Á, Kapás K, Vargyas M. as M. 32

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Időprojekciós kamra K+F (TPC) Ma: Világ Legnagyobb Időprojekciós kamrája 88 m3 Fejlesztés: MWPC GEM Nagy luminozitás mellett: Proton-proton 2 MHz Ólom-ólom: 50 khz Folyamatos kiolvasás Ne(90%) CO2 (10%) E=0.4 kv/cm 33

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Időprojekciós kamra K+F (TPC) Ma: Világ Legnagyobb Időprojekciós kamrája 88 m3 288 sheet#1 +288 sheet#2 = 576 darab itt +25% extrával számolunk 180 IROC 540 OROC fólia folyamatban +15% extrával számolunk Pl OROC fóliákra: Havi 20 fólia készül el 18 hónap alatt lesz kész 34

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Időprojekciós kamra K+F (TPC) GEM: Gázelektron Sokszorozó Varga Dezső: ReGaRD & Lendület Innovatív Gázdetektorok Kutatócsoport Magyar ALICE Csoport: Fóliák minőség-ellenőrzése Tárolás, tisztítása, dobozolása GEM optikai szkennelés Erősítés vizsgálata (R&D) 2 Beruházás: 25m2 tiszta tér (cc 60 m3) Optikai szkenner (Helsinki Egyetem) PicoAmper mérő (Zágrábi Egyetem) 20 TB térterület a szkennelt képeknek 7

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Időprojekciós kamra K+F (TPC) GEM: Gázelektron Sokszorozó Varga Dezső: ReGaRD & Lendület Innovatív Gázdetektorok Kutatócsoport Magyar ALICE Csoport: Fóliák minőség-ellenőrzése Tárolás, tisztítása, dobozolása GEM optikai szkennelés Erősítés vizsgálata (R&D) Beruházás: 25m2 tiszta tér (cc 60 m3) Optikai szkenner (Helsinki Egyetem) PicoAmper mérő (Zágrábi Egyetem) 20 TB térterület a szkennelt képeknek 28

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Időprojekciós kamra K+F (TPC) GEM: Gázelektron Sokszorozó Varga Dezső: ReGaRD & Lendület Innovatív Gázdetektorok Kutatócsoport Magyar ALICE Csoport: Fóliák minőség-ellenőrzése Tárolás, tisztítása, dobozolása GEM optikai szkennelés Erősítés vizsgálata (R&D) CERN nyalábtesztek 28

Új adatgyűjtő és -feldolgozó (DAQ) rendszer fejlesztése ALICE O2 CRU2 projekt Wigner DAQ Csoport & Wigner GPU Laboratory Imrek J,Dávid E, Kiss T, Biró G, Nugyen TM, Tölyhi T, BGG 38

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Adatgyűjtő rendszer (DAQ) ALICE adatgyűjtő rendszere K+F: Nehézion események sok adat, nagy eseményméret komplex, diverz aldetektorok Nagyobb luminozitás több adat ALICE 39

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Adatgyűjtő rendszer (DAQ) ALICE DAQ/DDL adatgyűjtő/továbbító rendszer A frontend elektronikák (FEE) és a adatgyűjtő számítógépek közöt kapcsolat a Detektor Data Link (DDL) és a Read-Out Receiver Carc (RORC) 40

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Adatgyűjtő rendszer (DAQ) ALICE DAQ/DDL adatgyűjtő/továbbító rendszer 500 db adat-link kártya: DDLs 450 db fogadó kártya: D-RORCs 2 PB/év adat kezelése Óriási sugárzási háttér (krad)! Közös DAQ és trigger DAQ/HLT DDL2, RORC2 Prototípus KÉSZ, beszerelés/upgrade a LS2 alatt 12 db DDL2 (6 Gb/s) link együtt DAQ LDC (36 Gb/s) forgalom. PCIe V2 8 buszokon (500 MB/s/lane) I/O 32 Gb/s PCIe3, 12 links (10 Gb/s/PC), 16 sávon I/O (128 Gb/s) FPGA alapú adatfeldolgozás már trigger DAQ szinten(e.g cluster finding) 4 4 4 41

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Adatgyűjtő rendszer (DAQ) ALICE új adatgyűjtő CRU2 K+F: CRU Common Readout Unit Nincs igazi trigger, nem várnak a detektorelemek egymásra, utólagosan is eldönthető, hogy kell-e az esemény, ill. mire használható gyorsaság. Jelenleg: 5oo Hz PbPb upgrade után 5o khz PbPb és 2oo khz pp Standard GBTx linkek használata 3,2 Gb/s vagy akár 4,48 Gb/s kétirányú sávszélesség. 42

Magyar részvétel az ALICE kísérletben: Adatgyűjtő rendszer (DAQ) ALICE új adatgyűjtő CRU2 K+F: CRU Common Readout Unit Nincs igazi trigger, nem várnak a detektorelemek egymásra, utólagosan is eldönthető, hogy kell-e az esemény, ill. mire használható gyorsaság. Jelenleg: 5oo Hz PbPb upgrade után 5o khz PbPb és 2oo khz pp Standard GBTx linkek használata 3,2 Gb/s vagy akár 4,48 Gb/s kétirányú sávszélesség. FPGA-alapú technológia, ami még tud gyorsabb is lenni 43

Jövő: nehézionfizikai modellek és detektorszimulációk fejlesztése Wigner GPU Laboratórium, Wigner Datacenter, ELTE, CCNU, LBNL BGG, Bíró G, Biró TS, Futó E, SzM Harangozó, Gyulassy M, GY Ma, Levai P, Nagy D, Németh M, Papp G, XN Wang BW Zhang 44

Elméleti szimulációk fejlesztése a távolabbi jövőbe... Még több adat, jobb statisztika. 45

Elméleti szimulációk fejlesztése a távolabbi jövőbe... Még több adat, jobb statisztika. 46

Elméleti szimulációk fejlesztése a távolabbi jövőbe... Pontosabb mérések pontosabb elmélet nagy számítások 47

Nagy számítási igény gyorsítás Moore törvénye: A számítógépes hadverek integrált áramköreiben másfél évente megduplázódik tranzisztorok száma. a 48

Nagy számítási igény gyorsítás = párhuzamosítás Moore törvénye: A számítógépes hadverek integrált áramköreiben másfél évente megduplázódik tranzisztorok száma. Amdalh törvénye: a 40 Egy program párhuzamosítással elérhető elméleti gyorsítása, ha p a párhuzamosítható kódrész, N szálon:

Nagy számítási igény gyorsítás = párhuzamosítás Moore törvénye: A számítógépes hadverek integrált áramköreiben másfél évente megduplázódik tranzisztorok száma. a Amdalh törvénye: Egy program párhuzamosítással elérhető elméleti gyorsítása, ha p a párhuzamosítható kódrész, N szálon: 50

A Hi-Lumi LHC fejlesztések következménye: több adat WLCG Worldwide LHC Computing GRID: Jelen: 15-20 Petabyte adat évente Jövő:...még több adat LHC fejlesztése után 51

A Hi-Lumi LHC fejlesztések következménye: még több szimuláció 52

A Hi-Lumi LHC fejlesztések következménye: még több erőforrás??? 53

Hogyan használjuk ki jobban a meglévő és JÖVŐbeli erőforrásokat??? WLCG: Kritikus pont a WN-ek száma és teljesítménye. Multicore gépek, single-thread számolások Ha van szabad multi-core kapacitás, akkor software és middleware szintű belépés CSODA NEM KELL: Párhuzamosítás, fejlett szoftverek és fordítók használata 54

Detektorszimulációk gyorsítása: GeantV projekt Valódi gyorsítás: táblázatok Nem esemény szintű párhuzamosítás Vektorizáció (táblázatosítás) Tipikus geometriai táblázatok Folyamatok, reakciók táblázatosítása GPU architektúrák alkalmazása SIMD Single Instruction Mutiple Device 55

A nehézionfizikai részecske és jet szimulátor: HIJING++ HIJING (Heavy-Ion Jet INteraction Generator) HIJING2.3 FORTRAN75 nyelven íródott PYTHIA4.x alapú X.Y. Wang és Gyulassy M, 1980-90 Egyszálas, sok verzió, de a lényeg ua. Bagua (a világ 8 építőeleme) SU(3)? s) 易經 HIJING++ (HIJING3.0) C++ alapú, PYTHIA 8 alapú Boost és Standard C++ libek használata Alkalmas sokszálas futtatásra (és gyorsabb i 56

A nehézionfizikai részecske és jet szimulátor: HIJING++ HIJING++ (HIJING3.0) PYTHIA 8 namespace megmaradt PYTHIA-tipusú hisztogramok OK HIJING main alá van beillesztve Standard C++ libek használata Fizika: PYTHIA8: Parton szint, szoft folyamatok, LUND modell, ARIADNE, fragmentáció HIJING2: Nukleáris effektusok: többszörös szórás, árnyékolás Új fizika: Javított árnyékolás, GLV jet elnyomás, LHAPDF6, GLVB?

A nehézionfizikai részecske és jet szimulátor: HIJING++ HIJING++ (HIJING3.0) 58

Az erősen kölcsönható anyag fázisainak elméleti vizsgálata Nehézionfizika Kutatócsoport, Wigner GPU Laboratórium, ELTE, CCNU, LBNL T.S. Biro, G. Biró, A. Jakovác, Sz. Karsai, P. Pósfay, T. Takács 59

Az erősen kölcsönható anyag fázisai Extrém sűrű és FORRÓ anyag: hadronizáció vizsgálata 60

Az erősen kölcsönható anyag fázisai Extrém sűrű és FORRÓ anyag: hadronizáció vizsgálata Nagyenergiás ütközésben partonikus (q,g) folyamatokban a végállapotban hadronok keletkeznek. A parton hadron átmenet a hadronizáció elméleti leírása mindmáig nem tiszta Fenomenologikus modellek Fragmentációs modellek: Feynman, Lund, string,cluster, stb. 61

A hadronizáció vizsgálata Tsallis-Pareto alapú eloszlásokkal Proton-proton ütközések azonosított,inkluzív hadronspektruma Alacsony pt ~ Termális modellek Nagy pt ~ pqcd 62

A hadronizáció vizsgálata Tsallis-Pareto alapú eloszlásokkal Kísérleti tapasztalat: Tsallis-Pareto eloszlás Kis pt: Nagy pt: T paraméter (body): Soft pt q paraméter (tail): Hard pt

A hadronizáció vizsgálata Tsallis-Pareto alapú eloszlásokkal Extenzív statisztika: Boltzmann-Gibbs eloszlás: Nem-extenzív statisztika: q-entrópia: Tsallis-Pareto eloszlás:

A hadronizáció vizsgálata Tsallis-Pareto alapú eloszlásokkal Fragmentáció (FF)

Az erősen kölcsönható anyag fázisai Extrém sűrű és HIDEG anyag: kompakt csillagok vizsgálata 66

A kompakt csillagok belső szerkezetének vizsgálata 67

A kompakt csillagok belső szerkezetének vizsgálata Kompakt csillagok: a csillagélet végállapotai Fehér törpe (WD): fősorozati csillag magja, C & O, és degenerált epulzárok/neutron csillagok (NS): magjuk maganyag (p+,n,e-) Magnetárok: nagy mágneses mezejű pulzárok Hibrid neutroncsillagok: magjukban szabad kvarkok vannak Furcsa/ritka csillagok (Strange Star): neutroncsillag szabad ritka kvarkokkal vagy ritkaság tartalmú barionokkal (pl. Λ, etc...). Hibrid csillagok: neutron csillag magjában szabad kvarkokkal Bozon-csillagok: neutron csilllag pion vagy kaon kondenzátummal Kvark csillagok: szabad kvarkokból álló csillag Preon csillag: (Standard model vagy SUSY részecskéket tartalmazó. DM csillag: sötét anyagot tartamazó neutron csillag Extra dimensional stars, Q stars, Black Holes, etc... 68