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诺奖馅饼别砸我:高能物理实验的“噩梦”

撰文 | 吴进远(美国费米国家加速器实验室)

责编 | 陈晓雪

20XX年,瑞典,斯德哥尔摩,诺贝尔奖颁奖典礼。老国王拿起放着奖章和证书的锦盒,戴上花镜,准备颁发物理奖了。对面,物理奖得主坐在那里,等待这一重要的时刻。这时他眼镜的镜腿轻轻地抖动了起来,让他一阵心悸。他忍不住扶了一下眼镜腿,眼镜片上显示了一条信息,令他脸色骤然变白。众目睽睽之下,他起身走向司仪,简短耳语片刻,从边门离开了华丽的大厅。司仪对国王做了个手势。之后,国王放下手中的锦盒,拿起另一个,开始颁发下一个奖项。在物理学奖莫名其妙地宣而不颁的两周后,合作组召开新闻发布会,宣布由于探测器触发系统的问题,合作组两年前“发现”的XYZ粒子并不存在。合作组主要负责人起立,对全球联网直播的镜头鞠躬致歉。

这个故事纯属虚构,大家完全可以脑补后续的情节。比如,全球很多大学和科研机构的数百名理论物理工作者完全可能被这个“发现”带错节奏,导致多个国际著名刊物发表勘误表专卷,数以千计的论文作废。

故事虽然是虚构的,但确实是高能实验物理工作者,尤其是触发系统工作者时时要提防的噩梦。大家都知道的一个真事发生在2012年,当时人们“发现”了中微子的速度比光的速度快。后来经过认真查找,确认这只是传输时间基准的光纤出了问题。时间基准到达探测器看上去晚了60纳秒,这样中微子到达的时间就看上去早了60纳秒,由此造成乌龙。幸好这个问题是在还没有获得诺奖时发现的。实际上,这个光纤的问题还不是最难发现的,在高能物理探测器中尤其是触发系统中,存在许多更加复杂而且更难查找的毛病。我们要做的工作之一,就是要防止这类毛病变成一个诺奖级的“发现”。

那么,触发系统又是什么呢?高能物理学中触发的概念与示波器的触发功能有紧密的联系,而用好示波器的触发功能是一个十分实用的科学研究技巧。所以,我们在这篇文章谈谈这个问题。明白了示波器的触发功能,对高能物理探测器的触发系统就明白了一大半。

示波器的触发功能

示波器几乎每个实验室都要用到,不过,我发现不少同学刚进实验室的时候在示波器上总调不出稳定的波形,有时甚至干脆找不到波形,这是怎么回事呢?

大多数同学都学过示波器的工作原理,都知道示波器的横轴是时间,纵轴是输入电压。不过,或者是由于书上没有写,或者是没有耐心读,很多同学没有注意到使用示波器时,除了要调好横轴纵轴,还有第三个东西要调好,那就是触发功能。

如果我们用示波器来观察一个周期性的连续信号,则触发系统并不显得十分重要。毕竟在输入信号存在的任何一个时间段,我们都可以抓到信号的波形,如图1 所示。

不过,当输入信号是比较窄的脉冲时,情况就不同了。比如对于宽度10纳秒,重复频率1 兆赫兹的脉冲,占空比为1%,也就是说只有1%的时间里存在信号。如果我们将示波器的时间轴调到如图2 所示,满度80纳秒,则平均十次扫描有八九次看不到任何波形。即使碰巧抓到了,波形也会随意出现在屏幕上的任何位置。

读者可能会觉得,如果我们把示波器的时间轴调成满度1微秒以上,不就能至少抓住一个脉冲吗?道理上确实没错,不过这时波形如图3 所示,在图中,满度宽度为1.6微秒,脉冲相对而言非常窄,看不清楚细节。

如果脉冲的占空比进一步降低,比如对于宽度10纳秒,重复频率100赫兹的脉冲,其占空比仅有一百万分之一,这时我们需要把示波器的时间轴加宽到10毫秒以上,才能确保抓到信号。一百万分之一的占空比是个什么概念呢?这个比例相当于在10公里的马路边上插一根直径1厘米竹竿。要显示这样一个波形图,在横坐标上至少要有一百万个像素,如果印到纸上至少需要几十米长。你觉得我们在向期刊投稿,发表科研成果时,附上一个《清明上河图》长卷一样的波形图,这个主意怎么样?

因此,一味地加宽时间轴无法解决问题。必须利用触发系统来寻找需要观察的信号。

示波器上最常用的触发模式是过阈触发。所谓过阈触发是指在示波器内设定一个电压阈值,示波器中的电子电路连续地比较输入电压与预设的电压阈值。当输入电压从低于这个阈值变化到高于这个阈值时,(或者从高于这个阈值变化到低于这个阈值时)示波器将这一时刻之前以及之后一段时间内的输入电压波形显示出来,如图4 所示,这样,示波器就能显示稳定的信号波形了。屏幕右侧的小箭头显示的是用户设定的阈值,而屏幕上部字符T所指示的位置,是被测电压的过阈时刻。

有的示波器之中,其触发系统还支持其它的触发模式。比如,我们可以要求触发系统选择宽度小于一定数值的脉冲。使用这样的触发功能,我们可以抓住在正常脉冲信号之中偶然发生的“毛刺”。有的示波器甚至可以支持更复杂的触发条件,比如多个通道同时出现高电平或低电平等等。

对于大多数同学来说,普通的过阈触发功能已经够用了。很多情况下,只要触发系统的参数设置对了,就能得到稳定的波形了。

高能物理学实验为什么需要触发系统?

在高能物理学实验当中,我们让加速器加速到很高能量的粒子互相碰撞,从而产生许多不同的反应事例。这样产生的事例之中,绝大多数都是我们已经研究清楚因而不感兴趣的。我们真正感兴趣的事例少之又少,因此,需要想办法将它们挑出来。这样一个判选工作,贯穿于高能物理实验的整个过程。触发系统就是这样一个事例判选系统。

触发系统通常与探测器的探测单元直接连接,带电粒子击中探测单元后,电信号送到触发系统。触发系统根据探测器输出信号的空间分布和时间信息来判断这些信号可能源于一个什么样的物理事例,然后决定是否将相应信号的数据存储到磁盘文件里。

我们可以用监控录像的记录模式来类比高能物理探测器的触发系统。

有一种监控录像是在24小时内不间断地记录摄像头拍摄到的影像,这种工作模式很像没有触发系统的示波器。我们在这样的监控录像中,大部分时间看到的是空荡荡的楼道,偶尔会有一个住户或访客走过。

有一些监控系统可以将有物体运动的时间段挑选出来记录到记忆卡上,这样的监控系统有些像设定了触发功能的示波器,记录下来的信息要有用得多。不过这样的系统如果放在小区的入口,我们就会看到川流不息的人群和车辆,而当我们需要寻找重要信息时,仍然必须做人工筛选。

更高级一点的系统,具有刷脸功能,可以根据面部特征把常见的住户和偶尔来访的人员分别开来。这就和高能物理实验中使用的触发系统非常相像了。

那么,高能物理实验中的触发系统所抓取的是什么样的“面部特征”呢?这就是我们后面要谈到的触发条件。

如何寻找并确认高能量的带电粒子径迹

高能物理学的大多数实验,感兴趣的都是在高能量区域粒子的生成以及对应的衰变。这种事例往往都有一些高动量的衰变产物。因此,寻找并确认高动量的带电粒子径迹,是一种最常见的触发功能。

一个运动的带电粒子,在自由空间运动时,如果没有外力,不论动量大小,都会沿着一条直线运动。然而,当带电粒子在磁场中运动时,带电粒子受到洛伦兹力的作用,运动轨迹弯曲,动量越小的带电粒子弯曲得越厉害,显得比较软。而动量比较大的带电粒子轨迹就比较直,显得比较硬。在已知磁场强度和粒子电荷的情况下,根据带电粒子轨迹的曲率半径,就可以推断出粒子的动量。

比如对于如图5 的探测器,加速器生成的粒子束与固定靶碰撞。碰撞后生成一些新物质,这些新物质很快衰变,在衰变产物的飞行路径上,电磁铁M产生一个磁场。带电粒子飞过磁场区域时,运动的轨道发生偏转。动量比较大的带电粒子(如P1、P2)偏转得比较小,而动量比较小的带电粒子(如P3)偏转得比较大。

衰变产物在飞行过程中,打在四层探测器HA、HB、HC、HD上。 而这四层探测器,每一层都是由若干个探测器单元构成的,比如对于HA这一层,从上到下分别是HA(0),HA(1),HA(2)等。显而易见,如果我们希望确认一个高动量的带电粒子轨迹,例如P1,只要找到类似如下的逻辑关系式就可以了。

HA(2) and HB(1) and HC(2) and HD(2)

而带电粒子轨迹P2的逻辑关系式为:

HA(5) and HB(5) and HC(7) and HD(7)

高动量的带电粒子轨迹可以有许许多多种,因此,一个触发系统的触发条件T会包含许多相似的逻辑关系式。

T = (HA(2) and HB(1) and HC(2) and HD(2))

or (HA(5)and HB(5) and HC(7) and HD(7))

or (...)

在逻辑关系当中,“与”(and)运算以及“或”(or)运算的性质分别与代数中的乘法以及加法运算类似。因此,一个完整的逻辑关系式可以被看成是一个多项式。每一个高动量带电粒子的轨迹对应于多项式中的一项。对于不同的实验以及探测器,逻辑多项式的项数从几千到几百万不等。如何将这么多的逻辑功能放到有限的电子电路硬件当中,这中间需要非常仔细的规划与设计。

近代的对撞机探测器多数是轴对称的,探测单元多布置成同轴的桶状。探测器中的磁场多数是用螺线管生成的,磁力线的方向基本上是沿着对称轴的方向的。在这种情况下,衰变产物带电粒子的轨迹是一个螺旋线,如图6 所示。

►图6: 在轴对称探测器中,带电粒子受到磁场作用发生偏转的情形

在这种情况下,带电粒子轨迹的曲率反映了它的横向动量分量的大小,我们也可以用与前面所谈相似的逻辑关系来生成触发条件。

触发系统的分级

相对而言,监控录像系统所采集的数据量不是非常大,因此,对于实时图像分析的要求不是非常高。很多时候,可以把数据全都存下来慢慢分析。而对于高能物理实验的探测器,由于粒子碰撞时所产生的事例率非常高,探测器所输出的数据流量非常大,无法全部存到计算机的磁带或磁盘里。因此必须有触发系统来实时筛选出需要永久保留的数据。为此,触发系统往往需要经过若干级,逐步筛选需要的数据。

早期的触发系统往往有三级,如图7 所示。

 

探测器(DET)所生成的电信号经过前级电子电路(FE)首先送到第一级触发系统(L1T)中,利用快速逻辑电子电路做粗略的判断。第一级触发系统判断可能存在有用的物理事件后,发出一个触发信号(T1),启动数字化(ADC/TDC)系统。早期的数字化器件,一旦被启动便无法继续监测输入信号。因此如果数字化进程启动得过于频繁,就会带来很大比例的系统死时间。因而,必须首先判断出在探测器里存在比较靠谱的信号组合时才能启动数字化,“不见兔子不撒鹰”。

经过第一级触发系统的筛选后,第二级触发系统(L2T)对于探测器产生的信号或数据做出比较详细的判选,以决定是否将数据送入后级的计算机系统(L3T/DAQ)。随后,经过第二级触发系统筛选的数据送入计算机系统,系统中运行的第三级触发软件对于数据做出更加详细的分析与取舍,最后存入磁带或磁盘。

在近些年,随着电子技术的进步,电子电路的集成度和速度都提高了很多。更重要的是,现在的数字化器件已经可以做到不间断地检测输入信号,不会因为数字化造成系统的死时间。因而,我们现在可以将前两级触发系统的功能合并为一级。

目前世界上有不少高能物理学实验的触发系统都是由硬件和软件两级构成的,通常称为第一级触发系统和高级触发系统。

第一级触发系统的任务是对探测器产生的电信号作出快速的逻辑分析,并据此作出是否对物理实例作进一步分析判断的决定。由于高能物理实验在速度与分析精度方面的要求越来越高,现代的高能物理探测器中多采用现场可编程(FPGA)器件来实现这些逻辑功能。我们将在别的文章中,专门为读者介绍FPGA的相关知识。

用软件来实现触发功能的好处是系统具有良好的可塑性,可以很方便地根据实验需求来调节触发条件。而缺点是计算机运行触发软件的速度太慢,因此需要很多计算机连到一起共同分担这些处理任务。因此,高级触发系统是由交换机与计算机阵列构成的。如图8 所示。

探测器(DET)产生的电信号通过前级电子电路与数字化器件(FE/DIGI),将粒子击中探测单元的数据送往第一级触发系统(L1T)。第一级触发系统做出是否丢弃或进一步考察某一事例的决定。如果决定进一步考察,子探测器读出计算机(SDRO)开始将这一事例的数据通过交换机(Switch Fabric)送入后级的高级触发计算机(HLT)。

需要注意的是,每一个子探测器读出计算机(SDRO)只具有自己所对应的子系统的信息,而没有整个探测器全局信息,因而对一个事例的取舍不可能在这一级做出判断。要想做出判断,必须让所有子系统将同一事例的信息全部送入后级单一的一台高级触发计算机(HLT)。这就需要通过交换机来实现信息的联通。

具体的做法是每一个SDRO将同一事例的数据打包,贴上同一台HLT的IP地址,然后送入交换机。交换机根据数据的IP地址,送到相应的HLT计算机。可以想象,对于源源不断地到来的不同事例,SDRO必须贴上不同的IP地址,以便让HLT计算机阵列中的每一台计算机都能平均地分担到合理的数据处理工作量。每个事例的数据经过HTL运行的触发软件判选,如果事例中的数据符合预定的触发条件,则整个事例的所有数据就会被送入数据获取计算机(DAQ)最终存入磁盘或其它大规模存储设备。

触发系统研究工作的挑战

对于触发系统,不应该简单地理解成为把不要的事例丢掉。降低事例率固然是触发系统重要的功能,然而,事例率降低不是唯一的设计目标。

触发系统设计中,最大的挑战是如何保持物理现象的原始性质。我们不希望由于触发系统的裁剪,使得物理现象呈现出一些并不存在的“新”性质。比如,不能由于触发系统的裁剪,在本来平滑的能谱上裁出一个跳跃变化,好像那里存在一个新的粒子一样。科研工作者都渴望获得诺贝尔奖,然而触发系统研发人员却不希望因为这种人造的“成果”而获奖。假如有些物理性质不可避免地会受到触发系统的影响,也应该知道对哪些参量在哪些区域有多大的影响,不能留下一笔糊涂帐。

由于触发系统几乎不可避免地会裁剪到物理现象的性质,因此一代代的高能物理学工作者都希望除之而后快。不过由于加速器与探测器技术的发展,一代代新设计的实验所产生的数据也越来越多,因此希望做到“无触发”的梦想始终没有实现。根据作者本人以及几位同事的记忆,近几十年来的主要的加速器高能物理实验都是有触发系统的。

触发系统的设计需要同时考虑物理实验的需求和电子电路硬件的功能,可以说是实验高能物理皇冠上的明珠。如果你读博时,有可能参与一个触发系统的研究工作,哪怕是在最小的一个高能物理实验中,我可以告诉你,这是一个金不换的机会。

这篇文章涵盖了你未来博士论文中大约50%的内容,通过基础课和专业课,你又能知道45%左右。

剩下5% 是你的新贡献,这需要你在实验室,吃着泡面,夜以继日,艰苦而有效地工作三四年才能做出来。

实际上,在触发系统中,我们现在积累的经验与知识都是在这个领域中数以千计的科研人员在几十年间吃着泡面做出来的。值得自豪的是,这中间也有作者的一点点贡献。同样,将来你也会为你的贡献而自豪的。作者就把这篇文章作为鸡汤,为你的泡面调调味吧。

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