AMD技術正助力康奈爾大學解鎖物理學領域新發(fā)現(xiàn)

新觀察到的粒子運動或?qū)⒏淖兾覀儌儗τ钪娴睦斫?/p>

康奈爾大學物理系教授Lawrence Gibbons博士自幼便對科學興趣濃厚。自稱“星際迷航鐵粉”的Gibbons說他從小就醉心物理學，剛進入中學就開始閱讀有關黑洞的書籍。他說：“我當時對物理現(xiàn)象興趣盎然，于是便開始追求探索物理世界?！?/p>

在芝加哥大學就讀本科生時期，Gibbons說他當時深受一位從事粒子物理學研究的教授的影響。他正在探索一種被稱為“電荷宇稱（CP）破壞”的現(xiàn)象的一個方面，屬于一個比較鏡像宇宙（宇稱）和物質(zhì)與物理宇宙的電荷共軛的研究領域，并力求尋找可以區(qū)分其與我們的宇宙的測量方法。

Gibbons解釋說：“幾乎所有的實驗室實驗都會持續(xù)產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，因此，宇宙大爆炸產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)也是合理的假設。我們雖然生活在受物質(zhì)主導的宇宙中，可我們到處都沒有觀測到與宇宙大爆炸物質(zhì)水平相當?shù)姆次镔|(zhì)。”Gibbons一直以來的研究重點在于試圖解讀這一現(xiàn)象的成因。

1967年，蘇聯(lián)核物理學家安德烈·薩哈羅夫（ Andrei Sakharov ）發(fā)表了一篇論文，率先提出宇宙大爆炸時的某些條件，包括一定程度的電荷宇稱（CP）對稱性破壞，這可能導致宇宙略微偏向于物質(zhì)為主而不是反物質(zhì)主導的局面。

Gibbons指出：“這個問題令我為之神往，也為我開啟了投身粒子物理學的大門?！?/p>

“我的整個學術生涯都試圖對一般性弱相互作用增進了解，以及CP破壞在整個體系中的作用。我們可以通過一個模型仿真實驗室中的現(xiàn)象，但事實證明，我們在實驗室環(huán)境下觀測到的破壞程度遠不足以解釋當前物質(zhì)主導宇宙的形態(tài)?！?/p>

測量磁矩

為實現(xiàn)一系列長期實驗規(guī)劃，Gibbons和他在康奈爾大學的研究團隊當前正開展的項目著手逐步研究，這些實驗能夠計算電子或“μ介子”（在高層大氣中形成的一種粒子，具有電子特性但比電子重200倍）的“磁矩”。

Gibbons表示：“電子和μ介子帶電并具有內(nèi)部自旋的動量，它們的行為就類似微小的條形磁鐵。我們的目標是確定這些小條形磁鐵的磁力強度。”

Gibbons指出，隨著雷達技術的誕生，一整類精密實驗的實行在技術層面上成為了可能。有研究人員進行了測量電子磁矩的實驗。

這項工作促成了朱利安·施溫格（ Julian Schwinger ）發(fā)明的量子場論，如今我們依靠這一理論來描述基本層面的粒子相互作用。

Gibbons說：“現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)這純粹是一種量子力學效應，μ介子可以在短時間內(nèi)發(fā)射和重新吸收像光子一樣的粒子，μ介子也有帶電粒子環(huán)，它們閃爍時隱時現(xiàn)。這一過程對磁場帶來了輕微的變化，學術界已經(jīng)進行了多項實驗來測量這些變化的規(guī)模?！?/p>

Gibbons 提到，大約在2000年左右，布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Lab）測量了μ介子磁矩的偏差，涵蓋從2到大約500 ppb的范圍。該實驗的結果與理論預測值之間存在顯著的差異。

“試想如果有新型粒子最終能夠反饋μ介子的電荷，不難想象它們確實會朝著我們觀測的方向移動。我們非常希望確認布魯克海文實驗室的結果是否正確。此外，我們也希望能顯著提高試驗精度，以便我們可以與理論值進行更精細的比照。為此我們啟動了當前的研究項目。目前我們力爭實現(xiàn)超越布魯克海文實驗室結果4倍的成果。我們的研究在全球同仁中激起了巨大的的研究動力?！?/p>

- Gibbons

Gibbons指出，目前有超過150名研究人員和100名理論科學家參與了該項目。

康奈爾大學在費米實驗室合作開展Muon g-2實驗，團隊使用AMD的FPGA推動該研究領域最新成果，目的在于測量μ介子“磁矩”，該項研究或?qū)⒏淖兾覀儗τ钪娴睦斫?。（圖片來源：Reidar Hahn，費米實驗室）

頓悟時刻

康奈爾大學的粒子研究在費米實驗室進行，費米實驗室又稱美國能源部費米國家加速器實驗室，該研究主要將測量μ介子的磁場強度。來自七個國家35個機構的191名研究人員合作參與了該項目。

去年春天，該團隊的研究結果證實了早期布魯克海文實驗室研究的結果，并且與之前觀察到的精度水平相同，這一發(fā)現(xiàn)在科學界激起了軒然大波。Gibbons說：“這一發(fā)現(xiàn)很重要，因為這樣我們就能知道，基于我們對已知粒子范疇的理解，實測磁場比理論水平要高一些。但該發(fā)現(xiàn)是否在統(tǒng)計意義上具有顯著性尚無定論?！?/p>

Gibbons表示，今年晚些時候，該團隊將得出下一階段結果，該結果將帶來超越之前發(fā)現(xiàn)4倍的數(shù)據(jù)和更高的精確度。最終結果將在幾年后公布。

“如果我們能夠達到最終的精度，并且能夠通過實驗結果證明理論預測值不成立，這意味著我們有了明確的證據(jù)表明肯定存在一種新的基礎力（超越已知的力量，如引力或電磁力），我們以前對此一無所知，還將存在與之相關的粒子，即暗物質(zhì)，而我們對其特性毫無了解?！?/p>

這或許會從根本上改變我們對宇宙和物理定律的理解。

吉本斯表示，測試結果公布前那一刻整個團隊都很緊張。

Gibbons說：“為了避免自己產(chǎn)生偏見，我們讓沒有參與實驗的人稍微改變時鐘頻率并將其封存在信封中。我們使用數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行了所有計算和分析，應用了我們運行實驗的占位符頻率。直到每個人都認為計算100%可信，我們可以據(jù)此發(fā)布研究成果，我們才要掌握真實頻率值的人告訴我們正確的數(shù)值。這樣我們才可以看到自己的研究結果如何。我們不知道結果是否會在此前的觀測或理論預測的范圍內(nèi)，也可能根本不在預期的范圍內(nèi)。我們相信自己得出了可靠的結果，但它處于哪個區(qū)間對我們是未知的。等待他們輸入真實頻率值的那幾秒鐘真是驚心動魄。當大家看到結果時，每個人都歡呼了起來。那是一段令人既振奮又如坐針氈的體驗。“

AMD在項目中的作用

Gibbons指出：“多年來，AMD技術在我們的研究中一直發(fā)揮著核心作用，我們設計的是具有大量ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并且需要像交警一樣的流量監(jiān)督機制來管理數(shù)據(jù)流。我們需要能夠以每秒800兆樣本的速度傳輸大量數(shù)據(jù)，并且有我們同時需要檢測約1,300個通道。我們需要FPGA能將數(shù)據(jù)從ADC傳輸至數(shù)據(jù)緩存中，以便我們異步讀取數(shù)據(jù)。我們還需要每塊板上都有一個主FPGA，它可以控制數(shù)據(jù)流并處理觸發(fā)和監(jiān)控我們傳入和傳出數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信息。AMD硬件以超出預期的表現(xiàn)滿足了我們的需求?！?/p>

目前的實驗中使用了近2,000個AMD Kintex 7 FPGA，其中大部分用于控制數(shù)據(jù)采集，其它則管理數(shù)據(jù)流和系統(tǒng)與外界的通信。Kintex 7器件以經(jīng)濟高效的形式與輕巧的外形提供了高收發(fā)器數(shù)量。Gibbons表示，AMD產(chǎn)品的使用壽命和可靠性對他們的研究工作至關重要。

Gibbons說：“AMD的FPGA構成了我們數(shù)字轉(zhuǎn)換器的核心，能夠接納我們所有的研究數(shù)據(jù)。我們使用中的這批產(chǎn)品已經(jīng)連續(xù)運行超過七年，目前仍在有條不紊地運行。Kintex系列成本友好且功能強大。Vivado工具也出色易用，為學生門甚至是我本人都提供了一個很好的培訓環(huán)境。我非常喜歡與AMD合作。我們在各方面都達成了愉悅的合作關系?！?/p>

審核編輯 ：李倩