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CMS实验里的中国力量
——记致公党党员、中科院高能物理所触发实验室负责人刘振安

作者:中国科学报 来源:致公党北京市委发布时间:2017-08-24 13:27浏览数:

    “春种一粒粟,秋收万颗子。”假如要从金黄的麦秸堆里寻找一根散落的缝衣针,这听起来比收割麦穗要难多了。在中国科学院高能物理研究所有这样一支团队,他们的工作就相当于在麦秸堆里寻找缝衣针。
    “在大型物理实验环境中,本底就好比麦秸,好事例就是我们要找的缝衣针,只有依赖触发判选系统区分好事例和本底,才能成功达到实验的目的。”高能物理所研究员、触发实验室负责人刘振安告诉《中国科学报》记者。
    日前,在日内瓦欧洲核子研究中心的CMS(紧凑型缪子螺线管探测器)实验一级触发首期升级项目中,刘振安率领团队研制的触发预处理系统(CPPF系统)成功加入CMS实验的触发判选。这是首次中国自己独立设计并制造的高科技电子设备被用于CMS实验,标志着中国科研人员的贡献和能力在CMS实验合作组中得到了肯定。


    实验物理中的触发

    “实验物理中的触发判选系统是在实验进行中从实验产生的海量数据里挑选好事例,实时控制实验进程,尽量多地排除各种本底事例,完成实验目标。”
    刘振安就好事例与本底作了进一步解释,好事例可以是实验中想要的任何事例,比如加速器对撞产生的事例、宇宙线事例等,不同的实验好事例可以不同;本底简单说是任何与实验目标不一致的事例,因而好事例与本底事例的区分非常困难。
    高能物理实验中的本底事例是好事例的几万倍。不难发现,寻找好事例往往犹如大海捞针。触发判选过程不能丢失任何好事例错失重要新发现的机会,因而高效率的触发系统尤为重要。触发系统既要严格准确,又要灵活多变可随时进行调整,它是实验系统的核心部分。
    刘振安课题组主持建造了北京正负电子对撞机重大改造工程的北京谱仪III触发系统,早在2005年就取得了国际领先的整体每秒205 Gb同步传输系统设计的经验,并基于此受邀承担德国PANDA实验、德国DEPFET合作组和日本Belle II等实验中相关触发与数据获取系统的设计与建造。
    他介绍道,这里基于对撞机实验的触发工作早期采取分级处理模式,在第一对撞周期里完成第一级快信号的判选,在第二对撞周期完成第二级慢信号的判选,第三对撞周期后开始复杂的综合判定等工作。由于现代加速器采用了多数团和连续对撞的技术,特别是亮度几百倍的提高,导致现代触发系统必须寻找全新的架构并流水线式高速工作,难度极高。

    挑战前沿技术难题

    CMS是LHC(目前世界上能量最高的强子对撞机)上的主要实验计划之一,其目标就是要寻找希格斯(上帝)粒子或者超出标准模型的其他新粒子,探清自然界的电弱破缺机制,以及寻找暗物质。
    CMS实验是21世纪初人类认识微观世界最重要的物理实验之一,刘振安团队于2013年加入该实验合作组。
    刘振安至今仍记得自己和高能物理所研究员陈国明一起与CMS合作组进行的多次技术沟通,利用团队在德国PANDA实验和日本BELLE II等实验中的取得成功经验,特别是高能物理所在xTCA-for-Physics国际新标准发起、规范制定中发挥关键作用并积累的设计经验,说服了CMS一级触发系统升级研制管理层,同意由高能物理所承担单路每秒10Gb、整体大于614Gbps的数据解压缩、触发预处理、数据精缩与扇出功能的CPPF系统研制建造任务。
    随后,刘振安与团队骨干成员赵京周、王春杰、程立波、曹鹏程等经过3年多的努力,完成了方案设计、原型设计、联调验收、量产等硬件工作和相关软件的编写工作,并在今年3月18日把集成于MTCA机箱的CPPF完整系统加入CMS触发系统,4月29日完成了软件CMS集成,并开始了CMS 现场的宇宙线试验和束流取数。
    CPPF系统在经过为期一个月宇宙线事例和LHC束流对撞的取数运行及数据对比分析后表明:其硬件、固件和软件设计建造成功并已经稳定运行,这一结果在6月份的CMS合作组会议中给予宣布。“这意味着我们承担的CMS一级触发系统一期升级任务已经成功。”刘振安说。
    他表示,这项课题的完成是高能物理所科技人员在高能物理实验国际前沿勇于挑战技术难题,并取得成功的又一案例,也为未来国内大型国际合作实验的建造积累了宝贵经验。

    成功背后是艰辛

    虽然在加入CMS之前,刘振安团队已经在其他实验中积累了经验,“但这些实验中涉及的物理需求与CMS实验的物理要求相差甚远,我们开始面临的最大困难是,需要花大量精力学习研究目前世界上最难的、针对寻找希格斯(上帝)粒子所需的新的触发原理,针对具体任务提出相关的解决方案并获得CMS合作组采纳。”
    刘振安团队采取的对策是首先花大力气学习掌握CMS物理需要的触发原理和技术,利用已经积累的经验优势,提出基于xTCA/MTCA新标准和V7可编程逻辑器件的触发预处理与数据精缩和扇出(CPPF)系统的设计方案,然后再开展CPPF插件的样机研制,进而获得采纳。
    “经过与合作组的不断沟通和6次的改版设计,我们的样机才最终获得合作组的验收。”刘振安回忆道,“由于时差原因,大部分讨论沟通都必须在夜间进行,面临的困难可想而知。”
    高能物理所的这支科研团队共有13人左右,他们在大型国际合作组中,面对的都是国际顶尖的专家,刘振安要求团队成员在研究过程仔细、严谨,实验结果核对无误,对合理化建议也要尽量采纳。
    2015年,团队在与其他合作方的多次联调实验中结果都不太满意,合作组个别专家曾对关键器件的选型提出质疑,要求更换型号重新设计。刘振安作为项目负责人,面临工期紧张可能完不成任务,甚至任务被取消的尴尬处境,压力很大。他也深知自己团队在北京正负电子对撞机改造中积累了丰富的经验,因此对CPPF样机的器件选型与设计非常有信心,需要的是通过完整的实验数据说服合作组专家。
    为此,刘振安带领团队规划了在高能物理所、在欧洲核子研究中心电子学实验室和CMS实验厅的三个不同实验方案。同时特别针对个别专家认为器件灵敏度不够因而不导致小信号联调不可靠的质疑,赵京周、王春杰分别在北京和欧洲  核子研究中心的实验中通过长时间、大量的、系统的实验,作出更小信号都能稳定正常工作的实验结果,最终获得合作组专家们的认可,进而在CMS实验中找到了误认CPPF器件灵敏度低的其他外部原因。
    “看见的是成功,看不见的是我们付出的艰辛,值得安慰的是我们的设计方案最终得到了确认。”刘振安感叹道,“我们在面临不合理的质疑时,尤其要站稳立场,相信自己,踏实工作。”


    人物简介:
    刘振安,中国科学院高能物理研究所触发实验室负责人,研究员,博导,学位委员会委员,2012年加入中国致公党,现为致公党石景山区工委委员。

    (原载于《中国科学报》 2017-08-21 第6版 院所,记者 沈春蕾。副标题为编者加。)

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