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CMS實驗里的中國力量
——記致公黨黨員、中科院高能物理所觸發實驗室負責人劉振安

發布時間:2017年08月24日| 發布者: 致京宣| 查看: 6238 |原作者: 中國科學報|來自: 致公黨北京市委

    “春種一粒粟,秋收萬顆子。”假如要從金黃的麥秸堆里尋找一根散落的縫衣針,這聽起來比收割麥穗要難多了。在中國科學院高能物理研究所有這樣一支團隊,他們的工作就相當于在麥秸堆里尋找縫衣針。
    “在大型物理實驗環境中,本底就好比麥秸,好事例就是我們要找的縫衣針,只有依賴觸發判選系統區分好事例和本底,才能成功達到實驗的目的。”高能物理所研究員、觸發實驗室負責人劉振安告訴《中國科學報》記者。
    日前,在日內瓦歐洲核子研究中心的CMS(緊湊型繆子螺線管探測器)實驗一級觸發首期升級項目中,劉振安率領團隊研制的觸發預處理系統(CPPF系統)成功加入CMS實驗的觸發判選。這是首次中國自己獨立設計并制造的高科技電子設備被用于CMS實驗,標志著中國科研人員的貢獻和能力在CMS實驗合作組中得到了肯定。


    實驗物理中的觸發

    “實驗物理中的觸發判選系統是在實驗進行中從實驗產生的海量數據里挑選好事例,實時控制實驗進程,盡量多地排除各種本底事例,完成實驗目標。”
    劉振安就好事例與本底作了進一步解釋,好事例可以是實驗中想要的任何事例,比如加速器對撞產生的事例、宇宙線事例等,不同的實驗好事例可以不同;本底簡單說是任何與實驗目標不一致的事例,因而好事例與本底事例的區分非常困難。
    高能物理實驗中的本底事例是好事例的幾萬倍。不難發現,尋找好事例往往猶如大海撈針。觸發判選過程不能丟失任何好事例錯失重要新發現的機會,因而高效率的觸發系統尤為重要。觸發系統既要嚴格準確,又要靈活多變可隨時進行調整,它是實驗系統的核心部分。
    劉振安課題組主持建造了北京正負電子對撞機重大改造工程的北京譜儀III觸發系統,早在2005年就取得了國際領先的整體每秒205 Gb同步傳輸系統設計的經驗,并基于此受邀承擔德國PANDA實驗、德國DEPFET合作組和日本Belle II等實驗中相關觸發與數據獲取系統的設計與建造。
    他介紹道,這里基于對撞機實驗的觸發工作早期采取分級處理模式,在第一對撞周期里完成第一級快信號的判選,在第二對撞周期完成第二級慢信號的判選,第三對撞周期后開始復雜的綜合判定等工作。由于現代加速器采用了多數團和連續對撞的技術,特別是亮度幾百倍的提高,導致現代觸發系統必須尋找全新的架構并流水線式高速工作,難度極高。

    挑戰前沿技術難題

    CMS是LHC(目前世界上能量最高的強子對撞機)上的主要實驗計劃之一,其目標就是要尋找希格斯(上帝)粒子或者超出標準模型的其他新粒子,探清自然界的電弱破缺機制,以及尋找暗物質。
    CMS實驗是21世紀初人類認識微觀世界最重要的物理實驗之一,劉振安團隊于2013年加入該實驗合作組。
    劉振安至今仍記得自己和高能物理所研究員陳國明一起與CMS合作組進行的多次技術溝通,利用團隊在德國PANDA實驗和日本BELLE II等實驗中的取得成功經驗,特別是高能物理所在xTCA-for-Physics國際新標準發起、規范制定中發揮關鍵作用并積累的設計經驗,說服了CMS一級觸發系統升級研制管理層,同意由高能物理所承擔單路每秒10Gb、整體大于614Gbps的數據解壓縮、觸發預處理、數據精縮與扇出功能的CPPF系統研制建造任務。
    隨后,劉振安與團隊骨干成員趙京周、王春杰、程立波、曹鵬程等經過3年多的努力,完成了方案設計、原型設計、聯調驗收、量產等硬件工作和相關軟件的編寫工作,并在今年3月18日把集成于MTCA機箱的CPPF完整系統加入CMS觸發系統,4月29日完成了軟件CMS集成,并開始了CMS 現場的宇宙線試驗和束流取數。
    CPPF系統在經過為期一個月宇宙線事例和LHC束流對撞的取數運行及數據對比分析后表明:其硬件、固件和軟件設計建造成功并已經穩定運行,這一結果在6月份的CMS合作組會議中給予宣布。“這意味著我們承擔的CMS一級觸發系統一期升級任務已經成功。”劉振安說。
    他表示,這項課題的完成是高能物理所科技人員在高能物理實驗國際前沿勇于挑戰技術難題,并取得成功的又一案例,也為未來國內大型國際合作實驗的建造積累了寶貴經驗。

    成功背后是艱辛

    雖然在加入CMS之前,劉振安團隊已經在其他實驗中積累了經驗,“但這些實驗中涉及的物理需求與CMS實驗的物理要求相差甚遠,我們開始面臨的最大困難是,需要花大量精力學習研究目前世界上最難的、針對尋找希格斯(上帝)粒子所需的新的觸發原理,針對具體任務提出相關的解決方案并獲得CMS合作組采納。”
    劉振安團隊采取的對策是首先花大力氣學習掌握CMS物理需要的觸發原理和技術,利用已經積累的經驗優勢,提出基于xTCA/MTCA新標準和V7可編程邏輯器件的觸發預處理與數據精縮和扇出(CPPF)系統的設計方案,然后再開展CPPF插件的樣機研制,進而獲得采納。
    “經過與合作組的不斷溝通和6次的改版設計,我們的樣機才最終獲得合作組的驗收。”劉振安回憶道,“由于時差原因,大部分討論溝通都必須在夜間進行,面臨的困難可想而知。”
    高能物理所的這支科研團隊共有13人左右,他們在大型國際合作組中,面對的都是國際頂尖的專家,劉振安要求團隊成員在研究過程仔細、嚴謹,實驗結果核對無誤,對合理化建議也要盡量采納。
    2015年,團隊在與其他合作方的多次聯調實驗中結果都不太滿意,合作組個別專家曾對關鍵器件的選型提出質疑,要求更換型號重新設計。劉振安作為項目負責人,面臨工期緊張可能完不成任務,甚至任務被取消的尷尬處境,壓力很大。他也深知自己團隊在北京正負電子對撞機改造中積累了豐富的經驗,因此對CPPF樣機的器件選型與設計非常有信心,需要的是通過完整的實驗數據說服合作組專家。
    為此,劉振安帶領團隊規劃了在高能物理所、在歐洲核子研究中心電子學實驗室和CMS實驗廳的三個不同實驗方案。同時特別針對個別專家認為器件靈敏度不夠因而不導致小信號聯調不可靠的質疑,趙京周、王春杰分別在北京和歐洲  核子研究中心的實驗中通過長時間、大量的、系統的實驗,作出更小信號都能穩定正常工作的實驗結果,最終獲得合作組專家們的認可,進而在CMS實驗中找到了誤認CPPF器件靈敏度低的其他外部原因。
    “看見的是成功,看不見的是我們付出的艱辛,值得安慰的是我們的設計方案最終得到了確認。”劉振安感嘆道,“我們在面臨不合理的質疑時,尤其要站穩立場,相信自己,踏實工作。”


    人物簡介:
    劉振安,中國科學院高能物理研究所觸發實驗室負責人,研究員,博導,學位委員會委員,2012年加入中國致公黨,現為致公黨石景山區工委委員。

    (原載于《中國科學報》 2017-08-21 第6版 院所,記者 沈春蕾。副標題為編者加。)


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