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寻找暗物质的东大人 ——东南大学参加 AMS实验15 周年纪实
发布时间: 2017-06-07                    访问次数: 27

一、国内第一所参加AMS实验的高校

东南大学是丁肇中教授特别邀请的中国第一所参加AMS实验的高校。对为什么邀请东南大学参加AMS实验,丁肇中教授曾有过如下回答:一是AMS课题组是由世界上多所理工大学所组成的,包括美国麻省理工学院、马里兰大学、德国亚琛工业大学、瑞士日内瓦大学、意大利罗马大学和佩鲁贾大学等。因此丁肇中教授及参加AMS的其他大学希望邀请中国的大学参加;二是历年来,诺贝尔奖获得者多数来自大学,大学具有学科综合优势和充分的学术自由,对实验的研究能发挥更大的作用;三是经东南大学杰出校友吴健雄教授介绍,丁肇中教授和东南大学有多年的交往,知道东南大学有良好的学术氛围以及包含许多优秀年轻教师在内的学术队伍;四是东南大学有许多教师很有兴趣、也有能力参加这项研究,并且有部分老师已经参加了该实验的研究,为AMS实验作出了重要贡献。

作为国内第一家参与AMS实验的高校,学校面临的既是机遇,也是挑战。其中重要原因就是参与这样的实验,学校要有大量的投入。在当时很多人看来,这个实验还有点“悬”,一时见不到实效。在许多大学要获资助才开展项目的情况下,学校筹集大量资金参与他人项目的做法,在当时颇受质疑。但时任校长顾冠群认识到参与AMS实验的重要性。据计算机科学与工程学院院长罗军舟教授回忆,当时顾校长参与AMS实验的决心很大,他的想法就是说丁教授是伟大的科学家,按照体育运动来说就是世界冠军,跟着世界冠军一起去练球,那以后肯定能培养出世界冠军。所以当丁肇中找到东南大学,邀请东南大学参与AMS实验时,顾校长非常欢迎,积极支持。2002年5月31日,东南大学与丁肇中签订了“东南大学与国际空间站上的AMS(02)实验合作协议”。2002年6月,便成立了以时任校长顾冠群院士为组长的AMS项目领导小组,主管科研的副校长邹采荣教授任AMS研究中心主任,罗军舟教授任中心副主任,同时成立了以原自动控制系主任李奇为组长的AMS专家组,建立了兼跨无线电、电子、计算机、自动控制、机械、物理、仪器、电气等学科的科研队伍。

党和国家领导人以及江苏省政府对东南大学参与AMS科学实验给予了亲切关心和支持。原中共中央总书记、国家主席胡锦涛,国务院总理温家宝都接见了丁肇中教授和时任校长顾冠群院士及有关专家。2003年12月5日,东南大学申报的“AMS-02反物质研究系统的研制”项目被正式列为科技部国际科技合作重点计划,教育部、江苏省均给予了配套支持。

在参加AMS实验的15年中,东南大学投入了很强的研究力量,得到了三任校长的高度重视,从已故的老校长顾冠群,到后任校长易红,再到现任校长张广军,均对AMS研究工作的开展给予了鼎力支持。计算机科学与工程学院、自动化学院、信息科学与工程学院、仪器科学与工程学院、电子科学与工程学院、物理学院、机械工程学院等单位都派出了精兵强将,参加AMS-02研究工作。15年来,仅赴欧洲核子研究中心(CERN)长期工作的就超过20余人次,而在校内参加项目研制人数也达到了60多人。在研究过程中,东南大学多学科综合性研究力量得到了充分的发挥,圆满完成了所承担的各项工作,多次得到丁教授的赞扬。

二、多学科深层次介入AMS实验

15年来,东南大学主要承担AMS-02实验中的AMS-C、AIS和SOC三个任务,为AMS实验做了大量的科研工作,先后研制了探测器系统和计算机系统,成为东南大学参与国际合作实力的有力佐证。

一是AMS-C实验室联通运行。该实验室位于四牌楼校区李文正楼一楼,是在我校建立一套AMS地面演示实验系统,原负责人是李建清教授。2003年东南大学首批派遣陈从颜、苏春、钱进三名专家分别赴意大利佩鲁贾大学和瑞士日内瓦大学参加AMS-C探测系统和电子测量系统研制。

自动化学院陈从颜教授2002年6月开始参加AMS实验,主要任务是AMS-C系统的建造。在2003年5月至2004年2月期间,陈从颜到意大利参加AMS-C探测器研制的具体工作,与佩鲁贾大学、博洛尼亚大学和欧洲核子中心的专家进行了合作研究。陈从颜教授至今清晰记得,2005年暑假特别热,在AMS-C系统恢复过程中,他与孟桥教授、苏春教授等与来自美国、瑞士、意大利的科学家们,奋战在一起,克服了很多困难和挑战。仅仅AMS磁铁的搬运与维护就特别费事,因为超宽、超重,搬运和运输过程遇到很多麻烦,但大家毫无怨言,顶着困难前进。为了保证系统正常运行,他们废寝忘食,夜以继日,有时累了困了就直接睡在办公室桌子上。最终,成功地在地面恢复了AMS的正反物质高能粒子探测功能。

机械工程学院苏春教授于2003年8月赴瑞士日内瓦大学和CERN,在Martin Pohl、Eric Perrin等教授的指导和帮助下,开展AMS-C机械结构设计、制造及装配工作。2004年4月底,苏春回到东南大学,继续做AMS-C最终安装、调试的准备工作。由于磁铁安装位置及尺寸的变化,已设计的机械结构的定位安装出现很多问题。苏春孜孜以求,兢兢业业,先后完成机械结构的拆箱及检测、在临时框架上的装配及调试、最终在磁铁上的装配等过程。

2006年3月23日下午,我校在春晖堂举行新闻发布会,丁肇中教授祝贺东南大学AMS-C实验室正式建成运行。据苏春教授介绍,AMS-C系统建成时,丁肇中教授亲临现场。他在磁铁下低头沉思的情景让在现场的老师们顿生感慨,敬佩不已。

二是AIS实验系统的研制。这主要是对国际空间站上的AMS-02磁谱仪进行性能测试和故障诊断分析。AIS系统设计的目的,是为AMS空间系统运行提供一个进行反物质测量方法研究,飞行系统故障预测和诊断,飞行软件升级的测试平台。这个平台的建设,对于我们掌握空间探测技术、开展空间电子学的研究具有重大意义。为此,学校于2004年1月到2005年12月第二批派遣了卢荣军、方仕雄、吴桦、帅立国、刘新宁,赴CERN参与AMS-02的研制。时任信息科学与工程学院副院长,也是AIS系统的负责人孟桥告诉记者,东南大学参与AIS系统的研制,重点在DSP软件系统、嵌入式软件系统、地面站应用软件和通用慢速控制模块监控程序等方面开展工作。同时,AIS是飞行系统故障诊断、软件升级等工作的测试平台。“探测仪在空间站上,不可能像在地面那样随时检查和维修。”孟桥说,我们就像是进行远程治疗的“医生”,为AMS-02及时把脉,开出正确的“药方”。

关于AMS探测器的研制,学校投入了很多人力物力,多个学科参与其中,如机械、电子、热能、计算机、控制、仪器等,我校科研人员与美国麻省理工学院、欧洲核子中心和意大利等科学家合作,承担了其中多项控制、探测电子电路系统的硬件与软件设计和开发,包括耐高电压可编程逻辑阵列的应用,软件方面包括自动控制、信号处理软件设计,探测电子电路的测试等等。这些电路涉及AMS-02的功能调试、信号识别、数据采集、数据存储、数据传输等多项功能。经过严格测试,硬件和软件均符合航空航天技术要求,从而为确保AMS-02的升空和顺利运行作出了重要贡献。

三是SOC实验系统的建设和运行。这是一个高性能的海量数据存储和处理系统, AMS探测器安置到空间站之后,它所采集到的海量数据就会源源不断地经过美国肯尼迪航天中心中转后,抵达到包括东大在内的各个数据存储和处理中心。为此罗军舟教授研究团队在欧洲核子中心和东大之间进行了多次国际高速数据传输存储测试,为AMS数据传输提供了重要保障。罗军舟教授介绍说,他们同时也进行了多次超大规模的蒙特卡洛仿真处理实验,通过大量的仿真计算为AMS的探测算法提供了依据。

自2011年5月16日AMS升入太空之后,东南大学开始担负数据处理和分析的任务。为了把这项工作做好,罗军舟教授研究团队在云计算和大数据处理领域进行了长期深入的研究,先后投入经费2500万元,建立了面向大数据处理的云计算平台,并提供虚拟化和高性能混合计算环境。截至目前,已累计接收到来自国际空间站的原始数据190 TB,东南大学AMS-SOC处理和分析的数据总量超过1000 TB,累计贡献计算量超过5600万CPU小时,在AMS-02全球六个地区数据处理中心(分别位于中国、德国、意大利、西班牙、法国、中国台湾等)排行第一。对这些海量数据存储、处理和分析是一个典型的科学大数据应用,同时也是AMS实验当前工作的重中之重。可以说,东南大学AMS数据处理中心,已经成为人类“寻找反物质”的一个重要基地。

三、云计算大数据引领学科前沿

2011年丁肇中教授在接受《文汇报》记者采访时,特别指出,“东南大学做的计算机系统,是很重要的贡献”。确实如此,东南大学计算机科学与工程学院是我校参与AMS实验人员最多、贡献最大、收获最多的学院。

老校长顾冠群是我国计算机网络领域的第一位院士,作为主要成员研制出了国内第一台具有通信控制功能的计算机、高级数据链路通信控制器及规程软件,编著了我国第一本《计算机网络》统编教材。可以说,丁肇中教授之所以选择与东南大学合作到今天,我校在计算机领域的学科优势是一个不可忽视的因素。

作为顾冠群院士的学生,罗军舟教授在回顾自己15年来始终坚守AMS合作时,不无感慨地说,这是为了顾老师的遗愿。罗军舟说,顾老师生前一直牵挂着AMS合作,甚至自己病魔缠身即将走向生命终点时,依然不断叮嘱自己的学生,一定要把AMS做好,一定要把AMS做好……

15年来,罗军舟教授以及他的科研团队一直坚守在AMS 研究第一线。正如他所说的,自己“15年来在东南大学与CERN之间来回奔波,从四十岁跑到五十多岁,从黑发跑到了白发”,先是自己跑,其后,就带着自己的学生跑。这里既是战场,同时也是课堂。如今,他的学生的学生也加入到AMS研究团队中来,在这里得到锻炼与成长。

熊润群是罗军舟教授的学生,当初报考研究生就是因为AMS实验的吸引力。如今他和张竞慧老师两人还坚守AMS数据处理中心,因为实验室24小时运行,不能有任何闪失,随时都要做好应急准备,保障系统正常运行。

一分耕耘,一分收获。参与AMS实验十五年,延续四代人的努力和付出,凝聚四代人的智慧和汗水,计算机科学与工程学院在国内云计算、大数据方面逐渐凸显学科优势和特色。2016年,我校计算机科学等10个学科进入ESI世界前1%,其中计算机科学位列65位。

2012年12月,东南大学—IBM云计算联合研究中心成立。这是目前IBM在全球范围内第一所,也是IBM与中国高校合作建立的唯一一所云计算领域的联合研究中心。据了解,IBM公司为确定合作对象,在世界范围内寻找顶尖高校,经过反复选择,最终确定与东南大学计算机科学与工程学院开展云计算方面的合作。对此,罗军舟教授表示,这得益于我校参与AMS-02实验,我们具备了云计算方面的研究积累和开发能力。

截止到目前,东南大学参与AMS实验数据处理的人数达23人,其中专职教师共11名,博士生和硕士生15名,长期赴CERN工作10多人,参与AMS合作研制和开发的同时,也为东南大学培养出了诸多电子学、计算机科学、物理等方面的专业高级人才。2013年和2016年,美国能源部(DOE)组织对AMS实验的进展评审,会议评审专家均为诺贝尔奖或者美国科学院院士级别的专家,罗军舟教授代表东南大学两次赴美国能源部报告东南大学AMS最新进展。同时,东南大学邀请了MIT、CERN等机构的著名科学家(包括丁教授本人)来东南大学进行定期学术访问和交流。

AMS实验极大地促进了东南大学计算机学科在云计算、大数据等前沿方向的发展,同时AMS实验的数据处理平台也为东南大学物理、化学、生物、机械等计算相关学科提供有效服务和支撑作用,提升其作为基础支撑平台的通用性、开放性和共享性,在未来能够满足包括AMS大数据处理、高分对地观测数据与应用、生物大数据、司法大数据、交通及城市大数据等大数据处理应用的复杂需求,有效支撑东南大学AMS数据处理中心和拟建的包括高分对地观测数据与应用中心、东南大学南京江北新区生物大数据研究中心和人民法院司法大数据研究基地等在内的一大批科研实体,有力促进大型数据处理平台的共享和跨学科的融合发展,推动东南大学未来参与大数据相关的国家重大科技基础设施建设。

四、开启空间科学探究之门

参与AMS实验是新世纪以来我校一次跨国、跨学科合作的成功尝试,也是我校与世界顶尖学校、科研机构的学者、科学家进行国际合作研究的一个良好开端,为我校参与国际科研合作积累了宝贵的经验。同时在合作开展过程中,我校一批年轻教师投入到空间技术研究中来,为我校空间科学研究方向的形成奠定了基础。

参与AMS这样的大型国际合作项目,我校一批青年教师博士一毕业就有机会“走出去”,与丁肇中教授的团队合作,与多个国家的技术人员交流,“零距离”与科学大师在一起,对提升专业能力、开拓国际视野起到了很大的促进作用。

苏春教授当年在参与AMS实验、从事机械产品设计与制造的过程中,他从日内瓦大学、佩鲁贾大学教授、工程师、技师们那里学到了很多东西,他们严谨的工作作风、饱满的工作热情、友善的言行举止,让他受益匪浅,也切身感受到我们与发达国家、高素质人群之间的差距。此外,参与项目研究使他深深体验到现代设计工具的强大功能,体会到零部件标准化和国际化合作的重要性。

据苏春教授介绍,丁肇中教授在CERN的办公室当时就在东南大学CERN办公室的斜对面。从窗口就可以看到他办公室的灯光。周末时苏春老师通常会到位于CERN的东南大学办公室,查资料、学习。在周末,丁教授办公室通常是灯火通明,有时很晚了,苏春老师离开办公室时丁教授办公室的灯都还亮着。“那时候丁教授已近70岁的年纪,这种持之以恒、一辈子只钻研一件事情的精神,是值得我们去学习的。”苏春教授说。

15年来,罗军舟教授团队中,有他的学生,也有他学生的学生,参加到AMS这种世界级科研合作,在丁肇中教授身边工作,有的一干就是一年以上,张竞慧老师待了三年半时间。在与国外学者共事的过程中,张竞慧体会到科学家身上的优秀品质,尤其是丁肇中教授的严谨认真,对科学的一丝不苟精神,对科学的兴趣和追求,给他们留下了深刻印象。

张竞慧印象最深的就是AMS的例会制度。每天下午5点钟必须要去开例会,每个人都要做汇报,你今天出了什么问题,如果有什么问题没法解决,丁教授就要当场解决,他从来不把问题拖到第二天。在会议中,经常出现有人同丁教授发生争吵的情况,所有问题在会上被讨论得非常充分,可以说在问题面前,真的没有权威,只有对错。正是这种良好的风气保证了实验的可靠性和安全性。张竞慧说,“这是国际大型合作的特点,在做决定之前必须经过大量的集体讨论分析。这种例会效率非常高,很值得我们学习和借鉴。”

通过参加AMS实验,与多国科学家、工程师交流,开拓了学术视野,学习他们的敬业精神和团队合作意识,实现跨专业的合作。实际上,在AMS-C研制中,东南大学团队也体现出良好的团队精神。在参与AMS实验过程中,大家不计名利地工作,也克服了很多困难,适应科研机制调整带来的干扰,顺利完成了各项任务。

参与AMS实验15年来,我校进一步加强了学科之间的融合,培养了一大批从事空间探测的高水平科研人员,由AMS研究中心发展起来的空间科学与技术研究院,如今已是我校开展空间科学研究的重要基地。

丁肇中教授说过,“自然科学的研究是具有竞争性的,只有第一,没有第二”。1974年11月10日,丁肇中领导的实验组发现了新的基本粒子,并将之命名为“J粒子”,在科学史上被称为“十一月革命”。丁肇中也因此荣获了1976年诺贝尔物理学奖。即便如此,他也没有停下探索宇宙的脚步,仍然行走在探索宇宙起源的路上。这种对科学探索“只做一件事”的执着精神深深影响着一代又一代东大人。(宋业春)


本文刊发于《东南大学报》2017年6月3日 第1343期 第6版