LHC-Experiment auf der Überholspur
Im LHC-Experiment treffen zwei Teilchenstrahlen frontal mit superschnellen Geschwindigkeiten aufeinander, um die Bedingungen im Universum in den Momenten nach dem Urknall nachzubilden. Die Wissenschaftler hoffen, in den Trümmern dieser Kollisionen neue Teilchen zu entdecken und damit grundlegend neue Einblicke in den Kosmos zu gewinnen. Sie suchen nach neuen physikalischen Aspekten jenseits des Standardmodells, dessen Theorie in den 1970er Jahren entwickelt wurde, um erklären zu können, auf welche Weise subatomare Teilchen interagieren. Die für die Zukunft geplanten Kollisionen werden 14 Teraelektronenvolt erreichen und die Komplexität der effizienten Echtzeitauswahl seltener Ereignisse steigern, die derzeit unter Einsatz von Kalorimetern und Myon-Detektoren durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang schlug das Projekt "Accurate real-time tracking in LHC full events" (ARTLHCFE) eine maßgebliche Aktualisierung des FastTrackers vor. Dieser Hardwareprozessor mit speziellen Aufgabenbereichen kann eine präzise Rekonstruktion von Partikelspuren im gesamten ATLAS-Detektor (A Toroidal LHC Apparatus) durchführen. Die zeitaufwendige Mustererkennung basiert auf assoziativer Speichertechnologie über paralleles Rechnen (Parallel-Computing). Die bei einem Ereignis gefundenen Muster werden mit allen vorher berechneten Mustern verglichen, um nach Spuren potenzieller Kandidaten zu suchen. Mit diesem Ansatz reduziert man die Komplexität der Algorithmen zu einer linearen Problematik. Das innerhalb des ARTLHCFE-Projekts entwickelte neue Verfahren auf Grundlage einer variablen Auflösung erhöht die Wirksamkeit des Assoziativspeichers um den Faktor fünf. Der FastTracker besteht aus tausenden zugehörigen Speicherchips, um Spuren mit über 100 Kilohertz Geschwindigkeit zu rekonstruieren. Die Auswahl unter passenden Muster wurde durch den Einsatz vorab berechneter Anpassungskonstanten und die Ausnutzung der digitalen Signalverarbeitung in Universalschaltkreisen, sogenannten feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA), weiter vereinfacht. Man setzte mehr als tausend FPGA, die bis zu einer Milliarde Anpassungen pro Sekunde durchführen, zur Datenformatierung und Spurnachverfolgung ein. Schon bald, nachdem die ersten FastTracker-Baugruppen zur Verfügung standen, wurden sie zwecks Erprobung in den ATLAS-Detektor integriert. Man berechnete mit Erfolg die Parameter für alle Spuren bei einem Ereignis und wandte Qualitätseinschränkungen in weniger als 100 Millisekunden an. Die ARTLHCFE-Wissenschaftler suchen nun nach Anwendungen bei Hirnuntersuchungen, die über die Hochenergiephysik hinausreichen.
