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紀(jì)念文章

秋日小記:我的ABC*

發(fā)表日期:2018-10-11高能所 阮曼奇來源:放大 縮小

  2018年初秋,天氣漸涼。

  環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)探測(cè)器概念設(shè)計(jì)報(bào)告基本成稿,并于9月初進(jìn)行了國(guó)際評(píng)審。這是CEPC預(yù)研工作的重要里程碑。我們的工作、特別是其中原創(chuàng)性的Arbor算法以及探測(cè)器性能分析,得到了國(guó)際專家的高度評(píng)價(jià)。Arbor算法是CEPC物理事例重建的核心,它抓住粒子簇射的樹狀結(jié)構(gòu),統(tǒng)一、整體、高效地將探測(cè)器記錄到的信息詮釋成末態(tài)可見粒子。某種程度上,它決定了CEPC探測(cè)器的智能高低,是確保其物理性能的關(guān)鍵。

圖1 左圖,Arbor 算法的重建事例。右圖,以Arbor 算法重建的、CEPC 上的4 噴注希格斯粒子事例

圖2 CEPC 概念探測(cè)器幾何,及其關(guān)鍵性的噴注重建性能演示:W 玻色子、Z 玻色子以及希格斯粒子在噴注末態(tài)物理事例中的分離

  評(píng)審結(jié)束后,我踏上前往上海高粒度量能器(CALICE)工作會(huì)議的高鐵。窗外風(fēng)景變換,我的思緒漸漸飄遠(yuǎn)。

  1999年,我考入清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)。2年后,我發(fā)現(xiàn)自己的個(gè)性更適合做基礎(chǔ)研究。借保研的機(jī)會(huì),我轉(zhuǎn)入粒子物理方向。導(dǎo)師高原寧教授為了讓我對(duì)高能物理實(shí)驗(yàn)多一些感性認(rèn)識(shí)(用他的話來說“免得將來后悔”),特意為我聯(lián)系了到高能所的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì),參加2002年北京譜儀的夏季維修。我的主要工作是對(duì)譜儀主漂移室的高壓電源系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。

  維護(hù)工作是枯燥的。我們需要把幾十公斤重的電源系統(tǒng)從支架上拆下來、清潔之后、一道一道地進(jìn)行高壓掃描,確定每一道都能正常工作后,再將它安裝回去。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)安靜地俯臥在隔壁的環(huán)道中,仿佛沉眠著的猛獸。成千上萬噸的金屬和電纜,能點(diǎn)亮整個(gè)小鎮(zhèn)的電能,以及數(shù)以百計(jì)的專業(yè)人才,被高效地組織起來,對(duì)物質(zhì)世界的極微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的探索。這種決心和張力令我驚嘆、沉迷;粒子物理理論模型的簡(jiǎn)潔優(yōu)美則讓我震撼不已。也許在那個(gè)時(shí)候,我和對(duì)撞機(jī)、和高能所的鏈接,就已種下了種子。

  從博士階段開始,我的職業(yè)生涯圍繞著希格斯粒子和正負(fù)電子希格斯工廠展開。希格斯粒子是目前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中最基本、最神秘的粒子,它和粒子物理世界中的種種未解之謎緊密相關(guān)。2012年,歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子,這一偉大發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型的全部粒子譜,也為粒子物理進(jìn)一步的探索提供了全新的、強(qiáng)有力的探針。正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)擁有極高的信噪比和精確可知的對(duì)撞初態(tài),可在極高的精度下對(duì)希格斯粒子性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量,其預(yù)期精度可大大超過高亮度強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(HL-LHC)的極限精度。因此,高能物理學(xué)界積極探索建設(shè)基于正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的希格斯粒子工廠,其中包括了直線對(duì)撞機(jī)和環(huán)形對(duì)撞機(jī)。直線對(duì)撞機(jī)有基于超導(dǎo)高頻加速技術(shù)的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)和基于雙束流加速技術(shù)的緊致對(duì)撞機(jī)(CLIC);而環(huán)形對(duì)撞機(jī)則包括了我國(guó)高能物理學(xué)界倡議的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC),以及歐洲核子中心倡議的未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)(FCC)。

  2008年,作為中法聯(lián)合培養(yǎng)博士生,我在清華大學(xué)和巴黎十一大完成了我的博士論文。其后,我在巴黎綜合理工學(xué)校進(jìn)行了為期六年的博士后研究。2013年,我返回中科院高能物理研究所,負(fù)責(zé)進(jìn)行CEPC探測(cè)器的模擬工作。2014年初,我接受歐洲核子中心的邀請(qǐng),以Fellow形式,對(duì)粒子流算法進(jìn)行合作深入研究,同時(shí)參與CEPC預(yù)備概念設(shè)計(jì)報(bào)告研究工作。2015年回國(guó),全時(shí)進(jìn)行CEPC探測(cè)器模擬工作。

  在歐洲的生活是我科研和生活中非常重要的經(jīng)歷。法國(guó)生活壓力較小,工作節(jié)奏較慢。這種環(huán)境有時(shí)會(huì)導(dǎo)致科研工作進(jìn)展較慢。另一方面,慢節(jié)奏對(duì)科研的深入?yún)s是不無裨益的:人們可以長(zhǎng)時(shí)間地調(diào)研、專心致志地思索科學(xué)問題,有利于對(duì)物理圖像整體性的、深入的理解;也有利于優(yōu)雅深刻地解決問題。我曾經(jīng)拿出數(shù)月的時(shí)間、進(jìn)行分析的微調(diào);在進(jìn)行Arbor重建算法的架構(gòu)構(gòu)建之時(shí),我干脆休了個(gè)假,回到家鄉(xiāng),在整整一個(gè)月的時(shí)間內(nèi),除了吃飯睡覺,就是跑步、構(gòu)思程序、調(diào)試代碼。法國(guó)科研隊(duì)伍中年輕人相對(duì)較少;年長(zhǎng)的學(xué)者們往往對(duì)物理問題有著深刻的了解,他們幾乎無窮無盡的耐心也使得年輕人有機(jī)會(huì)得到很好的關(guān)心指導(dǎo)。我很快喜歡上了咖啡廳,享受這種放松的討論的氛圍。伴隨著咖啡的香味和巧克力的甘甜,物理的模型和核心的機(jī)理一點(diǎn)點(diǎn)在頭腦中拼接,構(gòu)建出完整的物理圖像;工作的重點(diǎn)和著力點(diǎn),也隨之一點(diǎn)點(diǎn)明確。

  歐洲核子中心是另一種氛圍。它是一個(gè)巨大的蜂巢,集結(jié)著高能物理前沿的精銳。這里有各方面的一流專家;有各式各樣的學(xué)術(shù)活動(dòng);有蜂群般忙忙碌碌的人群;有配備齊全的、大小不等的實(shí)驗(yàn)室。CERN的節(jié)奏是非??斓模藗?yōu)榱嗣鞔_的科研目標(biāo),專業(yè)化地將大塊的任務(wù)分解拆分,通過高效的管理和日常的交流例會(huì),有力推動(dòng)著各項(xiàng)研究。在這種環(huán)境下,較為成熟的科研人員可以做到如魚得水:無論硬件、軟件的支持還是合作對(duì)象,在這里總能找到合適的伙伴和一流的資源,有利于科研工作的深入展開;歐核中心內(nèi)部也擁有一種積極的競(jìng)爭(zhēng)氛圍,有利于青年人才的脫穎而出。在這里,我結(jié)識(shí)了一大批年輕的充滿朝氣的科研人員,結(jié)識(shí)了一大批對(duì)正負(fù)電子希格斯工廠項(xiàng)目充滿熱情的國(guó)內(nèi)外專家。就我個(gè)人而言,我在法國(guó)較為完整地構(gòu)建了自己在正負(fù)電子希格斯工廠的知識(shí)體系;在CERN的經(jīng)歷,則讓我適應(yīng)了大規(guī)??蒲泄ぷ鞯慕M織,同時(shí)通過合作有效推動(dòng)了科研工作。

  由于希格斯粒子的質(zhì)量?jī)H有125GeV,環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)可以有效產(chǎn)生希格斯粒子。2013年初,我接到中科院高能物理研究所金山老師的電話,告訴我中國(guó)高能物理學(xué)界在積極探索建造CEPC的可能性,這讓我興奮不已。CEPC的建設(shè),意味著中國(guó)能成為高能物理這一領(lǐng)域的世界領(lǐng)袖,將在接近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)主導(dǎo)這一領(lǐng)域的發(fā)展。其科學(xué)產(chǎn)出,技術(shù)輻射,教科文活動(dòng),將產(chǎn)生極為積極、極為深遠(yuǎn)的影響。我在高能所加入了CEPC團(tuán)隊(duì),具體工作包括了CEPC探測(cè)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化,模擬軟件工具的開發(fā),物理潛力的模擬分析,以及團(tuán)隊(duì)建設(shè)。

  整個(gè)中國(guó)的高能物理學(xué)界也在為了CEPC而興奮。除了高能所,全國(guó)各大高校也積極投入了CEPC的預(yù)備研究工作,同時(shí)國(guó)際高能物理學(xué)界也對(duì)CEPC項(xiàng)目表現(xiàn)出極大的興趣和高度支持。另一方面,中國(guó)高能物理學(xué)界在CEPC項(xiàng)目所需的技術(shù)和人才隊(duì)伍方面,還非常薄弱。相對(duì)于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC),CEPC的質(zhì)心能量提高了兩個(gè)量級(jí),其幾何尺寸提高了近三個(gè)量級(jí),亮度將提高1–2個(gè)量級(jí),其物理目標(biāo)、對(duì)撞機(jī)設(shè)計(jì)、探測(cè)器需求都發(fā)生了巨大變化,處處都是挑戰(zhàn)。從B到C,需要我們付出巨大的努力。

  在CEPC模擬工作中,我在ILC上的經(jīng)驗(yàn)派上了用場(chǎng)。針對(duì)正負(fù)電子希格斯工廠的探測(cè)器設(shè)計(jì)和軟件工具,ILC合作組經(jīng)過多年研究給出了一整套方案;并就其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的預(yù)研,進(jìn)行了大量的原型機(jī)建造、驗(yàn)證以及測(cè)試。ILC的研究為CEPC相關(guān)研究提供了絕佳的出發(fā)點(diǎn)。另一方面,ILC和CEPC的對(duì)撞環(huán)境、束流結(jié)構(gòu)、質(zhì)心能量顯著不同,其物理目標(biāo)也并不完全一致。這意味著我們的設(shè)計(jì)不能原樣照搬ILC的設(shè)計(jì)。我們需要重新審視所有子探測(cè)技術(shù)方案能否使用于CEPC環(huán)境;需要根據(jù)CEPC物理需求,重新優(yōu)化探測(cè)器設(shè)計(jì)和參數(shù)。

  經(jīng)過5年的努力,我們完成了CEPC的探測(cè)器基線探測(cè)器設(shè)計(jì)和基線軟件工具,并就CEPC的物理潛力進(jìn)行了深入分析。從ILC軟件框架出發(fā),我們使用原創(chuàng)性的Arbor算法完成了CEPC的粒子流重建工具,并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了大量的軟件工具,完成了CEPC的基準(zhǔn)軟件工具,目前軟件工具中自主開發(fā)的模塊接近3/4。我們就CEPC探測(cè)器上時(shí)間投影室的適用性問題、量能器系統(tǒng)的優(yōu)化及冷卻問題、主線圈磁場(chǎng)選擇、對(duì)撞機(jī)–探測(cè)器界面設(shè)計(jì)(MDI)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入研究,給出了結(jié)論;并在此基礎(chǔ)上完成了CEPC的基線探測(cè)器。在希格斯粒子性質(zhì)測(cè)量方面,CEPC的基線探測(cè)器同ILC探測(cè)器性能不相上下??紤]到CEPC上可進(jìn)行的、豐富的味物理測(cè)量,我們加強(qiáng)了CEPC探測(cè)器在粒子甄別方面的性能。在造價(jià)、功耗方面,CEPC探測(cè)器較之ILC探測(cè)器顯著下降。針對(duì)CEPC的基線設(shè)計(jì),我們開展了國(guó)內(nèi)外的大量合作,就其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了積極的預(yù)研,并開展了原型樣機(jī)的研制和測(cè)試。

  使用CEPC的基線探測(cè)器設(shè)計(jì)及基線軟件,我們對(duì)CEPC的物理潛力進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。分析表明,CEPC可將希格斯粒子性質(zhì)測(cè)到0.1%—1%的精度,超出HL-LHC達(dá)一個(gè)量級(jí);CEPC上電弱物理的測(cè)量精度也將超過現(xiàn)有精度達(dá)至少一個(gè)量級(jí)。

  在CEPC研究中,我認(rèn)為最重要的是人才隊(duì)伍的培養(yǎng)和核心技術(shù)的掌握。在過去5年的工作中,通過積極的合作和人才的自主培養(yǎng),我們訓(xùn)練出一支掌握了大部分核心技術(shù)的人員隊(duì)伍。這使得我們掌握了CEPC探測(cè)器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化的主動(dòng)。

  今天,CEPC探測(cè)器的概念設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。下一步需進(jìn)行更為艱巨的技術(shù)設(shè)計(jì)。有大量的技術(shù)難關(guān)需要一一攻克,有大量關(guān)鍵技術(shù)需要細(xì)致預(yù)研和測(cè)試。作為復(fù)雜對(duì)撞環(huán)境中的、大型多功能探測(cè)器系統(tǒng),CEPC探測(cè)器的整體整合、穩(wěn)定性、其大統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)下的系統(tǒng)誤差控制更是巨大挑戰(zhàn)。我們需要對(duì)這些困難有充分地認(rèn)識(shí),積極主動(dòng)地開展人才培養(yǎng)和合作研究,為CEPC項(xiàng)目的最終實(shí)現(xiàn)而努力。

    * ABC= Arbor、BES 和CEPC

    (本文在“紀(jì)念北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建成30周年有獎(jiǎng)?wù)魑幕顒?dòng)”中榮獲二等獎(jiǎng)。)

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