ZPRÁVA O STUDENTSKÉM FAKULTNÍM GRANTU

Transkript

1 Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze ZPRÁVA O STUDENTSKÉM FAKULTNÍM GRANTU Michal Krištof Monitor kvality vlastností křemíkových detektorů v prostředí basf2, příprava monitorovacích grafů Ústav jaderné a částicové fyziky Vedoucí projektu: RNDr. Peter Kodyš, CSc. Praha 2015

2 Obsah 1 Úvod 3 2 Experiment BELLE2 3 3 Křemíkové detektory a BELLE2 4 4 Detektor DEPFET 4 5 Monitoring kvality 5 6 Vývojové prostředí BASF2 5 7 Diskuse 7 8 Závěr 8 9 Reference 9 2

3 Obrázek 1: Vlevo - schéma urychlovače SuperKEKB, vpravo - průřez detektorem BELLE2(převzato z [4]) 1 Úvod Cílem tohoto studentského projektu bylo seznámení se s vývojovým prostředím BASF, softvérovým rámcem expertimentu a vylepšení softvérového zázemí a řešení problémů týkajících se zázemí monitorování kvality vlastností křemíkových detektorů na japonském experimentu BELLE2, jako i problémů se sammotným monitorováním kvality a práce s grafy umožňující toto monitorování. 2 Experiment BELLE2 Experiment BELLE2 je druhou generací, vylepšením experimentu BELLE spadající pod rovnoměnnou kolaboraci a umístněn v japonské Organizaci pro vysokoenergetický urychlovačový výzkum, KEK, umístněný na urychlovači SuperKEKB v japonské Tsukubě. Je zaměřen na výzkum narušní CP symetrie pomocí zkoumání produktů zrážek elektronů s positrony. Jako i jiné částicové experimenty, BELLE2 je experiment, který tvoří více vrstev detektorů umístněných ve společné konstrukci. Design experimentu je zaměřen zejména na zkoumání vyprodukovaných částic B a jejich rozpadu. Pro tento projekt jsou důležité zejména křemíkové vertexové detektory a stripové detektory umístněné ve vnitřní, k místu kolize nejbližší, části detektoru. Urychlovač SuperKEKB i samotný experiment je vyobrazen na obrázku 1. 3

4 Obrázek 2: Schéma detektoru DEPFET(převzato z [2]) 3 Křemíkové detektory a BELLE2 Křemíkové detektory PXD(Pixel Vertex Detector) a SVD(Silicon Vertex Detector) společně s CDC(Central Drift Chamber) jsou umístněné ve vnitřní části experimentu a umožňují určit dva body rozpadu částice B(anglicky vertexy) důležité pro měření efektu CP asymetrie, ale také pro určení dráhy prolétávající částice. Tyto dva křemíkové detektory budiž stejného určení, odlišuje od sebe jejich konstrukce. Mezitím, co je PXD vytvořen z pixelů tvořených DEPFET tranzistory, SVD je stripový, neboli proužkový, detektor. Experiment BELLE2 obsahuje 2 vrstvy PXD a 4 vrstvy SVD detektorů válcového tvaru umístněných soustředně kolem místa kolize částic v silném magnetickém poli. 4 Detektor DEPFET Koncept DEPFET vznikl již v roce 1985, za jeho vynálezce se udávají dr. Kemmer a Lutz. Zkratka DEPFET značí DEpleted P-channel Field Effect Transistor, neboli polem řízený tranzistor s vyčerpaným p-kanálem. Ve své podstatě je kombinací dvou principů. Prvním je boční vyčerpání, který se používá v polovodičových driftových komorách a principu funkce polem řízeného tranzistoru, často běžného typu MOS(metal-oxide-semiconductor, tranzistor s hřidlovou oxidovou vrstvou), 4

5 rozšířeného dnes již ve velkém množství běžně dostupné elektroniky. Tranzistor je umístěn na málo nasyceném polovodiči typu N, který se úplně vyčerpá zavedením dostatečně vysokého negativního napětí na zadní p+ kontakt. Tato vyprázdněná část je zároveň také samotným detektorem citlivým na dopadající radiaci, přičemž ta vytváří ve vyprázdněném polovodiči elektrón-děrový pár, který je následně oddělen přítomným napětím. Díry pak putujou k negativně nabité zadní elektrodě(již zmíněn zadní p+ kontakt) a elektrony k samotnému tranzistoru a jsou zachyceny v potenciálovém minimu pod kanálem tranzistoru(takzvaná vnitřní brána), čímž zvýší hustotu náboje a také tranzistorový proud až do chvíle, kdy jsou elektrony z vnitřní brány odebrány. Touto svou funkcí plní DEPFET roli jako detektoru, tak i zesilovače. Samotnou schému je možné spatřit na obrázku 2. Když částice přeletí skupinou DEPFET pixelů, vyčítá se na nich deponovaný náboj. Jelikož částice většinou ovlyvňuje ne jenom jeden, ale více pixelů zároveň, takovýto signál z více pixelů vedle sebe se nazývá klastr. Velikost klastru se nazývá počet pixelů, na kterých byl detekován náboj. 5 Monitoring kvality Monitoring kvality na experimentu Belle2 je důležitou a nedílnou součástí vývoje experimentu. Monitoruje se kvalita vyvíjeného software, nedojde-li k regresím software, které mohou vést k zpomalení vývoje. Monitoruje se porovnáváním grafů, které vyprodukovali jednotlivé verze software. Naší prioritou, jako Pražské skupiny, je monitoring kvality PXD a SVD detektorů. Příklad takového monitorovacího grafu je na obrázku 3. Na obrázku je možné vidět graf v rozličných barvách, co odpovídá rozličným verzím software. Referenční hodnoty, ke kterým by se měl graf blížit, jsou šedě vyplněny. Na PXD detektorech se monitoruje zejména chybová distribuce pro různé velikosti klastrů a velikosti pixelů, deponovaná energie v detektoře, počet a velikost klastrů. 6 Vývojové prostředí BASF2 Pro monitorování kvality na experimentu BELLE2 je využíváno vlastní vývojové prostředí BASF2. Toto linuxové vývojové prostředí je kombinací mnoha užitečných simulačních a analyzačních nástrojů jako je simulační balík GEANT a balík ROOT. Ikdyž samotné jádro tohoto prostředí je psáno v programovacím jazyce Python, spolupráce s jazykem C++ je ale v něm plně zabezpečená a samotné monitorovací/validační grafy jsou generovány balíkem ROOT, který je psán v jazyce C++. Toto prostředí se může bud plně instalovat na lokální počítač uživatele, nebo je 5

6 Obrázek 3: Příklad grafu na monitorování kvality software 6

7 možné k němu přistoupit vzdáleně. Vzhledem k povaze mé práce, přistoupil jsem k plné lokální instalaci rozhraní. Mým prvním úkolem bylo se s rozhraním seznámit. Učinil jsem tak způsobem analýzy zdrojového kódu(jelikož programovací jazyk Python není kompilovaný, což je jedna z výhod tohoto programovacího jazyka) a také vytvářením pokusných skriptů. Jelikož toto rozhraní je konstantně vylepšováno a je nesmírně rozsáhlé, nebyl tento úkol nijak snadný. Práce s tímto rozhraním navíc také vyžaduje porozumení nativnímu programovacímu jazyku v terminálu operačního systému Linux, Bash, pod kterým rozhraní pracuje. Druhým mým úkolem byla práce se samotnými monitorovacími grafy. Pražská skupina pracující v kolaboraci BELLE pracuje na monitorovacích grafech pro detektory PXD a SVD. Pro tyto grafy bylo potřeba zpřehlednit užívatelské rozhraní náhledu grafů a vyřešit problém, při kterém se grafy vůbec nezobrazovali. Druhý problém jsem jednoduše vyřešil úpravou generujících skriptů. První problém již byl závažnější. Analýzou fungování rozhraní BASF2 jsem přišel na to, že upravit lokální zobrazení pro dva detektory z mnoha v celém experimentu by bylo velmi problematické, ne-li téměř nemožné. Proto jsem přistoupil k řešení, které zahrnovalo přepracování celého užívatelského rozhraní pro monitorování kvality celého experimentu BELLE2. Takovéto zásahy, samozřejmě, si vyžadují odobření celé vývojové komunity monitorovacího rozhraní, proto byla má práce prezentována na meetingu v Japonsku a zároveň na computing meetingu na Havaji, kde jsem využil techniky zakoupené za finance z tohoto studentského grantu, jelikož jsem prezentoval tuto práci na vlastním serveru. Má práce byla odobřená a aplikovaná globálně, zároveň jsem nadvázal spolupráci s komunitou vývojářů rozhraní BASF2. Po nahrání mé práce na servery kolaborace BELLE jsem pokračoval v práci na doladění vývojového prostředí a odstranění chyb v prostředí. 7 Diskuse Cíl projektu považuji za úspěšně naplnený. Nejen že se podařilo seznámit se s vývojovým prostředím BASF2 a přepracovat užívatelské rozhraní nejen pro monitoring kvality PXD a SVD detektorů, podařilo se mi zlepšit podmínky pro monitoring kvality pro mnoho lidí v mnoha zemích. Také se podařilo aktivitou naší skupiny přinést nové nápady na vylepšení vývojového prostředí a zanítit zájem o celkové vylepšení aktuální situace. Krom práce s vývojovým prostředím BASF2 se mi podařilo také seznámit se s prací v kolaboraci. 7

8 8 Závěr V projektu jsem se zabýval vývojovým prostředím BASF2. Seznámil jsem se s vývojovým prostředím pro monitoring kvality BASF2, s grafy pro monitoring kvality a křemíkovými dráhovými detektory, jejich fungováním a vlastnostmi. Podařilo se mi vyvinout změny ve vývojovém prostředí BAsF2 a úspěšně je aplikovat pro experiment BELLE2. 8

9 9 Reference [1] Belle 2 Colaboration Web(online). Citováno Dostupné na adrese: [2] Wiki Pages of the MPI Semiconductor Laboratory(online). Citováno Dostupné na adrese: [3] Belle group, Physics Division I, Belle II Technical Design Report, KEK(High Energy Accelerator Research Organization), Institute of Particle and Nuclear Studies, 1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, , Japan, [4] DESY - Belle & Belle 2, Joining the hunt of flavour at the terascale Citováno Dostupné na adrese: 9