Calibration et réduction de données Tracker AMS-02 JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Sixièmes Journées Informatique IN2P3-IRFU JI08 Obernai 20 septembre – 2 octobre 2008 Claude Zurbach Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules - Montpellier Sixièmes Journées Informatique IN2P3-IRFU JI08 Obernai 20 septembre – 2 octobre 2008 Claude Zurbach Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules - Montpellier

Sommaire  Partie 1 : L’Alpha Magnétique Spectromètre (AMS-02)  Partie 2 : Tracker : calibration, test de gain et réduction de données  Partie 3 : Contraintes et fonctionnalités en calibration  Partie 4 : Contraintes et fonctionnalités en réduction de données  Partie 5 : Procédures de développement et tests  Partie 6 : Exemple de réduction de données  Partie 1 : L’Alpha Magnétique Spectromètre (AMS-02)  Partie 2 : Tracker : calibration, test de gain et réduction de données  Partie 3 : Contraintes et fonctionnalités en calibration  Partie 4 : Contraintes et fonctionnalités en réduction de données  Partie 5 : Procédures de développement et tests  Partie 6 : Exemple de réduction de données JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier

5 1 - Alpha Magnetic Spectrometer : présentation  AMS 02 est une expérimentation de la physique des particules dont les plus importants buts scientifiques sont l’étude de la matière noire, de l’antimatière et des rayonnements cosmiques. AMS 02 a été précédé d’un prototype AMS 01 embarqué sur la navette spatiale Discovery le 2 juin JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier

6 1 - Alpha Magnetic Spectrometer : structure  Un TRD (Transition Radiation Detector) renseigne sur la vitesse des particules de plus haute énergie et identifie électrons et positrons  Deux TOF (Time-Of-Flight counters) marquent le temps de traversée des particules de plus basse énergie  Un Aimant Supraconducteur (Magnet) incurvet la trajectoire des particules chargées  Un ACC (Anti-Coincidence Counters), garantit que seules les particules entrées par le haut de l’aimant sont prises en compte  Et une électronique embarquée sous les radiateurs externes gére les différents sous- détecteurs ainsi que le système de régulation des températures (Thermal Control & Cryomagnet System) JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Gps

7 1 - Alpha Magnetic Spectrometer : structure  Un GPS fournit le temps UTC (précision de moins dune microseconde) pour dater les évènements physiques et synchroniser les horloges internes  Deux Star Trackers (1 seconde d’arc de résolution) localiseront les sources de rayonnements Gamma, jusqu’à 300 GeV  Un Tracker (Silicon Tracker) de huit plans permet de tracer les trajectoires des particules chargées, donc leur signe  Un RICH (Ring-Imaging Cerenkov Counter) mesure la vitesse et la charge des particules, et les noyaux d’atomes (complémentaire du Tracker)  Un ECAL (Calorimeter) mesure l’énergie des rayons gamma et des électrons et positrons (en différenciant ces derniers des hadrons) JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Gps

8 1 - Le Tracker AMS

9 1 - Tracker AMS

JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Module de Calibration (processeur DSP – langage assembleur) -Déterminer : Pedestal, raw & final noise, non-gaussian -Positionner : Quality flag -Produire des tables pour la réduction : pedestal, sigma, thresholds & flag Data Reduction module (déclenchement sur Trigger) Signal (> threshold) = Amplitude – Pedestal – Common Noise -Calcul du bruit commun en utilisant les tables : final sigma, pedestal & flags -Identification et extraction : event clusters -Transfert des données réduites vers le système d’acquisition d’AMS (DAQ) Module de test de gain (DAC Calibration) -Injection d’un niveau de signal connu et mesure de la réponse des canaux de silicium 2 - Tracker AMS : calibration, test de gain & réduction

3 -Tracker AMS

Périodicité : ~30 mns, temps d’exécution : ~4s JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Pedestal calculation : 1024 events Sigma raw calculation + flags : 1024 events Sigma final calculation + flags : 2048 events Non Gaussian calculation : 2048 events Tables of thresholds calculation Step 1: call Step 2: call Step 3: call Step 4: call Step 5: call 3 - Tracker AMS : module de calibration 3 modes d’activation possibles : chargement des tables d’origine depuis la NVRAM – ou chargement des tables produites par la dernière calibration – ou production de nouvelles tables et sauvegarde en NVRAM (mode standard)

Données en entrée : Gate Array memory – pseudo-events ( ) – Paramètres Low & High pour thresholds – Mode de calibration Données en sortie:  Table Pedestals  Table Sigma raw threshold  Table Flags  Tables low & high final Sigma thresholds Contraintes:  Temps de calcul  Changement dynamique des seuils (thresholds)  Sauvegarde et restauration des tables Calibration module Pedestals, sigma raw, sigma final, flags, low and high sigma thresholds calculations Sigma raw thresholds Low thresholds Signal amplitude High thresholds Gate Array External Buffer Pedestals Thresholds parameters (constants) Flags JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier 3 - Calibration Tracker AMS : fonctionnalités

Contraintes : Temps de calcul < 360 µs (~14500 cycles DSP) Couper les « huge events » Adapter la table des piedestaux Débit maximum hors AMS : 2Mbit/s JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier 4 - Tracker AMS : DAQ

JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Soustraction Pedestals et réorganisation Calcul Common Noise Identification Clusters, construction et mémorisation Ecriture en sortie (Data Acquisition System) Step 1: call Step 2: call Step 3: call Step 4: call 4 - Tracker AMS : module de réduction Périodicité : ≤ 2000 Hz, temps de calcul : < 300 µs

JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Data Reduction module Amplitude reading Pedestal subtraction Common noise calculation Candidate identification Cluster construction Output transfer Clusters AMS DAQ Flags 0,1 … Low thresholds Signal amplitude High thresholds Gate Array External Buffer Pedestals n(Sigma Raw) Données en entrée :  Tables module de Calibration : High &Low Thresholds, Pedestals, Flag  Gate Array memory : Signaux avec ou sans Events Données en sortie :  Longueur de chaque cluster, adresse canal de début, valeurs des différents canaux  16 valeurs de CN des 16 VA  Longueur totale du buffer de sortie Contrainte forte :  Temps de calcul < à 14.5 DSP KCycles (Dernière version : moyenne < 12.5 KCycles) 4 - Réduction Tracker AMS : fonctionnalités

JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Organisation (*) Test level 1 : calibration avec testbench, reduction avec simulation (**) Test level 2 : calibration et reduction avec échelles, muons, sources ou faisceaux MIT Cern : DAQ System INFN Perugia –integration modules en DAQ Test niveau 2 (**) - validation calibration/reduction Spécifications de développement LPTA – Tracker Data Reduction Développement - Test niveau 1 (*) Tests Sous-système Tracker : faisceaux CERN, Darmstadt, sources UNIGE et INFN Perugia Ensemble système AMS : salle de montage CERN (muons), faisceaux CERN (prévu), JSC (muons) 5 – TDR Tracker AMS : développement et test

JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier 5 – TDR Tracker AMS : banc de test pour développement

JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Simulation en reduction Channel 0Channel 1023 Cas standard : < 12,5 DSP Kcycles pour cet ensemble de clusters Pire des cas : ~ 60 DSP Kcycles pour plus de 512 clusters … Low thresholdHigh threshold 5 – TDR Tracker AMS : performances en réduction

JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier INFN Perugia - septembre 2006 : concordance réduction Online (reduced data) et réduction Offline (raw data) Clusters : - Seuil déclencheur de 4 x sigma, - Insertion des 2 canaux adjacents, - 1 cluster de 3 canaux - 1 cluster de 4 canaux - Seuil de fin de cluster : 2 x sigma 5 – TDR Tracker AMS : exemple de cluster

JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Dangers représentés pas les rayonnements cosmiques Hors des ceintures naturelles anti radiatives, une exposition prolongée d’organismes vivants aux rayonnements cosmiques est impossible. Sans parler de l’exposition subie sur le sol d’une planète comme Mars… 6 – Une étude servant à de futurs voyages dans l’espace Deux solutions sont à l’étude Soit embarquer un bouclier anti-radiations (trop volumineux, trop pesant, trop cher…) Soit protéger le vaisseau spatial par un champ magnétique (mais on ne connaît pas le comportement d’un organisme vivant dans ce type d’environnement, et subsiste la question de la production d’énergie) AMS-02 fournira des données utiles pour ce domaine de recherche et d’expérimentation

JI08 29 septembre - 2 October OBERNAI --- Claude Zurbach - LPTA Montpellier Merci de votre attention … Conclusion  Planning actuel : tests thermiques et sous vide à l’ESTEC début 2009  Intégration définitive au Kennedy Space Center fin 2009-début 2010  Installation et mise en service sur l’ISS mi-2010  Exploitation du système AMS-02 jusqu’à fin 2013  Planning actuel : tests thermiques et sous vide à l’ESTEC début 2009  Intégration définitive au Kennedy Space Center fin 2009-début 2010  Installation et mise en service sur l’ISS mi-2010  Exploitation du système AMS-02 jusqu’à fin 2013