[論文レビュー] The MAGIC telescopes DAQ software and the on-the-fly online analysis client

D. Tescaro, A. López-Oramas+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2013

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、アップグレードされたMAGIC望遠鏡のデータ取得（DAQ）ソフトウェアと、オンザフライでオンライン分析を実行するクライアントMOLAを紹介する。MOLAは、独立したDAQシステムからピクセル単位の信号情報をストリーミングし、中央集約型の分析プログラムに送信することで、ガンマ線データのリアルタイムでの高水準な分析を可能にする。このシステムは、データ損失なしに600 Hzのオンライン分析を達成し、IC 310およびMrk 421のフレア時において、急激なガンマ線フレアに対する即時のフィードバックを提供した。

ABSTRACT

In this contribution we describe the design of the Data AcQuisition (DAQ) and online analysis software of the MAGIC telescopes after the 2012 upgrade. Although the final stereo trigger requires coincidence between the two telescopes, the actual data acquisition is performed independently, producing two separate data streams. Events are first readout and built from the front-end electronics and then stored in the DAQs' internal ring buffer for further processing: pre-calibration and signal extraction. The pixel signals, previously used only for data quality monitoring, are now also sent "on-the-fly" to the centralized online analysis program MOLA, which acts as a single client for the two DAQ data streams, and uses this information to provide preliminary high level analysis results. The integrated DAQ and online analysis programs allows an immediate feedback in case of a rapid gamma-ray flare of the pointed astrophysical source.

研究の動機と目的

• 2012年のMAGICアップグレードに伴い、チェレンコフ望遠鏡データのリアルタイムで高水準なオンライン分析を可能とすること。
• 一時的なガンマ線フレアを検出する際の遅延を短縮するため、中間結果を保存せずにデータをオンザフライで処理すること。
• 2つの独立したDAQシステムから得られるピクセル単位の信号データ（強度と到着時刻）を統合し、一元化されたオンライン分析パイプラインに統合すること。
• DAQを分析より優先することで、高レートでのデータ取得時でも性能劣化を防ぎ、高いデータ取得性能を維持すること。
• 観測中に動的プロットや診断指標を通じて、望遠鏡運用者に源の挙動に関する即時のフィードバックを提供すること。

提案手法

• DAQソフトウェアであるDomino4Readoutは、1台の望遠鏡ごとに専用サーバー2台で独立して動作し、データ取得、イベント構築、およびピエルドオフ補正やタイムラグ補正を含む事前処理を担当する。
• ピクセル単位の信号強度と到着時刻がオンラインで抽出され、ネットワーク経由でMOLAクライアントにストリーミングされ、両望遠鏡の中央集約型分析エンジンとして機能する。
• MOLAは、2つの独立したDAQストリームからのデータを同期化するためのリングバッファを用いてリアルタイムでイベントを処理し、固有のL3トリガ番号を介してステレオイベントマッチングを実現する。
• システムは画像クリーニングを実行し、ランダムフォレスト法を用いてシャワーの進行方向を計算し、theta-squaredプロットやガンマ線過剰マップなどの主要な分析指標を算出する。
• データ転送と分析が優先され、オンライン分析は最大600 Hzで実行され、イベント損失なしに動作する。
• パイプラインは2つのエネルギー範囲（LEおよびHE）をサポートし、ハドロンネス尤度パラメータを用いてエネルギー依存のカットとバックグラウンド抑制を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ステレオ式チェレンコフ望遠鏡において、データ取得性能に悪影響を及げることなく、リアルタイムで高水準なガンマ線分析を実現する方法は何か？
• RQ2 完全なデータ取得スループットを維持し、イベント損失なしに達成可能な最大の持続可能なオンライン分析レートは何か？
• RQ3 2つの独立したDAQシステムからのオンザフライピクセルデータを、どの程度効果的に同期・統合してステレオイベント再構築に活用できるか？
• RQ4 事前にキャリブレーションされたピクセルデータをオンライン分析に統合することで、一時的源の検出のタイムリーネスはどの程度向上するか？
• RQ5 弱いまたは一時的なガンマ線源を検出するためのリアルタイム分析で、どの程度の感度が達成可能か？

主な発見

• システムは、通常のステレオトリガレートの3倍に相当する安定した600 Hzのオンライン分析レートを達成し、高レートデータ取得時でもデータ損失なしに動作した。
• MOLAのオンライン分析によるカーブスネビュラの感度は、50時間の観測でカーブスフラックスの1.4%と推定され、リアルタイムでの高い感度を示した。
• DAQソフトウェアは、ピエルドオフ補正とタイムラグ補正を含む完全な事前処理を実行しながらも、800 Hzのデータ取得レートを維持し、高いデータ品質を確保した。
• MOLAへのピクセル単位のデータ（強度と到着時刻）の統合により、IC 310およびMrk 421のフレア時において、源の挙動に関する即時のフィードバックが可能となった。
• 1つのMOLAクライアントで2つの独立したDAQストリームを処理することで、固有のL3トリガ番号を介した効率的なステレオイベントマッチングが可能となり、正確な進行方向およびコア位置再構築が実現した。
• theta-squaredプロットや過剰スカイメップなどの動的出力がリアルタイムで生成され、3σ以上の過剰が検出されるとバックグラウンドがイエローカラーに変化するため、迅速な源モニタリングが可能となった。