AMD技术正助力康奈尔大学解锁物理学领域新发现

新观察到的粒子运动或将改变我们们对宇宙的理解

康奈尔大学物理系教授Lawrence Gibbons博士自幼便对科学兴趣浓厚。自称“星际迷航铁粉”的Gibbons说他从小就醉心物理学，刚进入中学就开始阅读有关黑洞的书籍。他说：“我当时对物理现象兴趣盎然，于是便开始追求探索物理世界。”

在芝加哥大学就读本科生时期，Gibbons说他当时深受一位从事粒子物理学研究的教授的影响。他正在探索一种被称为“电荷宇称（CP）破坏”的现象的一个方面，属于一个比较镜像宇宙（宇称）和物质与物理宇宙的电荷共轭的研究领域，并力求寻找可以区分其与我们的宇宙的测量方法。

Gibbons解释说：“几乎所有的实验室实验都会持续产生等量的物质和反物质，因此，宇宙大爆炸产生等量的物质和反物质也是合理的假设。我们虽然生活在受物质主导的宇宙中，可我们到处都没有观测到与宇宙大爆炸物质水平相当的反物质。”Gibbons一直以来的研究重点在于试图解读这一现象的成因。

1967年，苏联核物理学家安德烈·萨哈罗夫（ Andrei Sakharov ）发表了一篇论文，率先提出宇宙大爆炸时的某些条件，包括一定程度的电荷宇称（CP）对称性破坏，这可能导致宇宙略微偏向于物质为主而不是反物质主导的局面。

Gibbons指出：“这个问题令我为之神往，也为我开启了投身粒子物理学的大门。”

“我的整个学术生涯都试图对一般性弱相互作用增进了解，以及CP破坏在整个体系中的作用。我们可以通过一个模型仿真实验室中的现象，但事实证明，我们在实验室环境下观测到的破坏程度远不足以解释当前物质主导宇宙的形态。”

测量磁矩

为实现一系列长期实验规划，Gibbons和他在康奈尔大学的研究团队当前正开展的项目着手逐步研究，这些实验能够计算电子或“μ介子”（在高层大气中形成的一种粒子，具有电子特性但比电子重200倍）的“磁矩”。

Gibbons表示：“电子和μ介子带电并具有内部自旋的动量，它们的行为就类似微小的条形磁铁。我们的目标是确定这些小条形磁铁的磁力强度。”

Gibbons指出，随着雷达技术的诞生，一整类精密实验的实行在技术层面上成为了可能。有研究人员进行了测量电子磁矩的实验。

这项工作促成了朱利安·施温格（ Julian Schwinger ）发明的量子场论，如今我们依靠这一理论来描述基本层面的粒子相互作用。

Gibbons说：“现在我们发现这纯粹是一种量子力学效应，μ介子可以在短时间内发射和重新吸收像光子一样的粒子，μ介子也有带电粒子环，它们闪烁时隐时现。这一过程对磁场带来了轻微的变化，学术界已经进行了多项实验来测量这些变化的规模。”

Gibbons 提到，大约在2000年左右，布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Lab）测量了μ介子磁矩的偏差，涵盖从2到大约500 ppb的范围。该实验的结果与理论预测值之间存在显著的差异。

“试想如果有新型粒子最终能够反馈μ介子的电荷，不难想象它们确实会朝着我们观测的方向移动。我们非常希望确认布鲁克海文实验室的结果是否正确。此外，我们也希望能显著提高试验精度，以便我们可以与理论值进行更精细的比照。为此我们启动了当前的研究项目。目前我们力争实现超越布鲁克海文实验室结果4倍的成果。我们的研究在全球同仁中激起了巨大的的研究动力。”

- Gibbons

Gibbons指出，目前有超过150名研究人员和100名理论科学家参与了该项目。

康奈尔大学在费米实验室合作开展Muon g-2实验，团队使用AMD的FPGA推动该研究领域最新成果，目的在于测量μ介子“磁矩”，该项研究或将改变我们对宇宙的理解。（图片来源：Reidar Hahn，费米实验室）

顿悟时刻

康奈尔大学的粒子研究在费米实验室进行，费米实验室又称美国能源部费米国家加速器实验室，该研究主要将测量μ介子的磁场强度。来自七个国家35个机构的191名研究人员合作参与了该项目。

去年春天，该团队的研究结果证实了早期布鲁克海文实验室研究的结果，并且与之前观察到的精度水平相同，这一发现在科学界激起了轩然大波。Gibbons说：“这一发现很重要，因为这样我们就能知道，基于我们对已知粒子范畴的理解，实测磁场比理论水平要高一些。但该发现是否在统计意义上具有显著性尚无定论。”

Gibbons表示，今年晚些时候，该团队将得出下一阶段结果，该结果将带来超越之前发现4倍的数据和更高的精确度。最终结果将在几年后公布。

“如果我们能够达到最终的精度，并且能够通过实验结果证明理论预测值不成立，这意味着我们有了明确的证据表明肯定存在一种新的基础力（超越已知的力量，如引力或电磁力），我们以前对此一无所知，还将存在与之相关的粒子，即暗物质，而我们对其特性毫无了解。”

这或许会从根本上改变我们对宇宙和物理定律的理解。

吉本斯表示，测试结果公布前那一刻整个团队都很紧张。

Gibbons说：“为了避免自己产生偏见，我们让没有参与实验的人稍微改变时钟频率并将其封存在信封中。我们使用数字转换器进行了所有计算和分析，应用了我们运行实验的占位符频率。直到每个人都认为计算100%可信，我们可以据此发布研究成果，我们才要掌握真实频率值的人告诉我们正确的数值。这样我们才可以看到自己的研究结果如何。我们不知道结果是否会在此前的观测或理论预测的范围内，也可能根本不在预期的范围内。我们相信自己得出了可靠的结果，但它处于哪个区间对我们是未知的。等待他们输入真实频率值的那几秒钟真是惊心动魄。当大家看到结果时，每个人都欢呼了起来。那是一段令人既振奋又如坐针毡的体验。“

AMD在项目中的作用

Gibbons指出：“多年来，AMD技术在我们的研究中一直发挥着核心作用，我们设计的是具有大量ADC（模数转换器）的数字转换器，并且需要像交警一样的流量监督机制来管理数据流。我们需要能够以每秒800兆样本的速度传输大量数据，并且有我们同时需要检测约1,300个通道。我们需要FPGA能将数据从ADC传输至数据缓存中，以便我们异步读取数据。我们还需要每块板上都有一个主FPGA，它可以控制数据流并处理触发和监控我们传入和传出数字转换器的信息。AMD硬件以超出预期的表现满足了我们的需求。”

目前的实验中使用了近2,000个AMD Kintex 7 FPGA，其中大部分用于控制数据采集，其它则管理数据流和系统与外界的通信。Kintex 7器件以经济高效的形式与轻巧的外形提供了高收发器数量。Gibbons表示，AMD产品的使用寿命和可靠性对他们的研究工作至关重要。

Gibbons说：“AMD的FPGA构成了我们数字转换器的核心，能够接纳我们所有的研究数据。我们使用中的这批产品已经连续运行超过七年，目前仍在有条不紊地运行。Kintex系列成本友好且功能强大。Vivado工具也出色易用，为学生门甚至是我本人都提供了一个很好的培训环境。我非常喜欢与AMD合作。我们在各方面都达成了愉悦的合作关系。”

审核编辑 ：李倩