国际顶尖科研团队信息化应用现状调研之六欧洲核子研究中心信息化应用现状分析



国际顶尖科研团队信息化应用现状调研之六欧洲核子研究中心信息化应用现状分析

编者按

为深入客观反映国内外信息化发展态势，跟踪世界各发达国家信息化的重大部署及应用，中科院条财局和中科院成都文献情报中心开展了信息化专题情报调研，旨在反映信息化重要专题的现状、发展趋势及关键挑战。本期“国际顶尖科研团队信息化应用现状调研”将重点介绍欧洲核子研究中心的相关情况。

欧洲核子研究中心（CERN）是世界上最大的粒子物理研究中心，也是万维网的发祥地。从1951年起，欧洲11个国家开始筹划并于1954年9月正式成立CERN。CERN位于法国和瑞士交界处的日内瓦城附近，经过几十年的发展，现拥有21个成员国。

研究方向和重大产出

CERN为高能物理学研究的需要，提供粒子加速器和其他基础设施，以进行许多国际合作的实验。同时也设立了资料处理能力很强的大型电脑中心，协助实验数据的分析，供其他地方的研究员使用，形成了一个庞大的网络中枢。

CERN在粒子物理学中实现了许多重要成就，包括：1973年，Gargamelle气泡室发现了中性流。1983年，发现了W及Z玻色子。意大利鲁比亚和荷兰范德米尔获得1984年的诺贝尔物理学奖。夏帕克获得1992年的诺贝尔物理学奖。1995年成功以射击反质子制造反氢原子。2012年7月4日，CERN宣布大型强子对撞机的紧凑渺子线圈探测到质量为125.3±0.6GeV的新玻色子（超过背景期望值4.9个标准差），超环面仪器测量到质量为126.5GeV的新玻色子（5个标准差）。7月31日，紧凑缈子线圈实验团队和超环面仪器实验团队又分别提交新的侦测结果，将疑似希格斯（Higgs）的玻色子的质量确定为紧凑缈子线圈的125.3GeV/c2（统计误差：±0.4、系统误差：±0.5、统计显著性：5.8个标准差）和超环面仪器的126.0GeV/c2（统计误差：±0.4、系统误差：±0.4、统计显著性：5.9个标准差）。2013年3月，进一步的实验证实该新粒子确实就是标准模型的Higgs粒子。该发现证实了物质质量来源的理论，将人们对世界自然规律的理解向前推进了一大步。2014年11月，CERN科学家通过对大型强子对撞机从2011年至2012年间对撞的数据进行分析，发现了两个此前已被理论预测过但从未“现身”的亚原子粒子：Xi_b和Xi_b*。

CERN聚集了全球粒子物理研究领域的高端人才，每年产出1000多篇博士论文。

组织规模与结构

据CERN2013年年报显示，截至2013年底，其管理及办公人员的数量达到2513人，而研究人员、学生、用户（含受培训人员、访问科学家及客座教授）的数量达12313人。总的来看，其管理及办公人员占比为16%，技术人员为35%，工艺师为5%，研究物理学家为3%，应用科学家及工程师为41%。

2013年，CERN总支出接近11.4亿法郎。其中人力支出超过6亿法郎，占比为52.9%；材料支出占比42%；能源与水资源占3.6%；财务成本占1.5%。

CERN理事会是其最高权力机构，掌管着CERN在科学、技术和管理等方面的重要事务。它负责项目开展、经费预算和开支审核。CERN每个成员国派出两名官员加入CERN理事会。其中一名官员代表国家政府管理，另一名代表国家科学机构利益。

CERN所长由理事会任命，任期为5年。下设管理委员会、研究委员会和技术委员会等。CERN组织结构如图1所示。

图1蓝色小框标注的是IT小组，其专门为CERN及全球合作者提供信息技术服务。该小组设有领导人办公室（DHO），该办公室由监管各团队和项目的负责人组成。DHO下属有9个团队，分别为计算设施、协作与信息、通信系统、数据库服务、部门基础设施、数据与存储服务、操作系统与基础设施、平台与工程，以及分布式计算支持。

图1　CERN组织架构

团队科研信息化应用情况

主要信息化工具

IT小组负责保障CERN信息技术方面的需求，诸如计算机安全、数据库服务、文件服务、电子邮件、工程软件、网格服务、硬件、IT基础设施、网络、操作系统、物理计算、打印服务、存储服务和电话服务等，具体内容可参见IT小组服务网页。其中，工程软件包括：电子/电气设计、数学、机械设计、软件开发和结构分析等工具。

CERN利用自行开发的Linux，在实验中协助LHC进行科学运算并发现“上帝粒子”。CERN在实验中使用的系统是Scientific Linux和Ubuntu Linux。其中Scientific Linux是一款由美国的费米国家加速器实验室和CERN合作开发的Linux版本。Scientific Linux以 Red Hat Enterprise Linux（RHEL）为基础开发，以进行科学计算为目标，基本上已经包含RHEL大部分的功能，而且版本升级速度和RHEL相当接近，更一度超越另一个同样以RHEL为蓝本的Linux版本CentOS。CERN日常的运算都会交由Linux上进行，并辅以其他开源软件。一般的数据解析都会使用Windows进行，但因为Linux在高性能运算HPC上的选择比较多，方便配合LHC使用。CERN更为了方便科研人员在统一的系统环境下进行科学运算，开发了以Linux为基础的虚拟化系统CernVM。科学运算对系统要求相当高，在不同电脑上硬件的轻微差异，都会影响运算的结果。CernVM可以在Linux、MacOSX和Windows上运行，实现实验用的系统环境统一。

重大科技基础大设施

1.全球LHC网格WLCG

为了寻找Higgs粒子，需要建设大型的高能物理对撞机、探测器和强大的计算系统。ATLAS和CMS实验的探测器是当今世界上最大最复杂的实验装置，每个探测器都装备了上亿个探测单元。两个实验每年产生的数据均达十多个“PB”。为了快速高效地对数据进行分析处理从而获得物理结果，这些实验需要一个先进的计算系统来解决两个挑战：第一，将实验数据分发到分布在世界各地的数据中心进行处理；第二，方便物理学家从世界上任何一个地方访问这些数据。因此，在大型强子对撞机（LHC）实验建造初期的2002年，物理学家就开始研究建立国际高能物理网格平台，其目标是建立一个可以统一访问的巨大的分布式计算资源，支持LHC实验艰巨的数据处理和物理分析任务。这个网格平台主要由欧洲粒子物理中心牵头的全球LHC网格WLCG（Worldwide LHC Computing Grid）组成，同时美国的开放科学网格也参与其中。WLCG的网格站点达到170余个，遍布36个国家和地区。WLCG采用从零到三级的分级的结构，零级的网格站点负责实验数据的记录、物理事例重建和向一级网格站点的数据分发；一级站点负责数据的长期保存，数据再处理和分析；二级网格站点负责物理模拟以及物理分析；三级站点只负责本地计算任务。网格计算技术成功创造了一个新型分布式高吞吐率计算基础环境。目前WLCG稳定连续地运行在约20万个CPU核上面，每天处理的计算任务达200万个，每年处理的数据达30PB以上，保证了LHC实验能够以前所未有的速度和效率去获得物理结果。

WLCG的网格站点达到170余个，遍布36个国家和地区。WLCG采用从零到三级的分级的结构，零级的网格站点负责实验数据的记录、物理事例重建和向一级网格站点的数据分发；一级站点负责数据的长期保存，数据再处理和分析；二级网格站点负责物理模拟以及物理分析；三级站点只负责本地计算任务。

2.质子同步加速器PS

建于20世纪50年代的质子同步加速器PS，是CERN加速器中最老和用途最广的加速器。它于1959年调试完毕，从此连续运行。它的直径为200米，最高能量达GeV，一度是世界上功率最大的加速器。PS作适当修改后即可加速质子，又可加速电子或正电子。

3.超级质子同步加速器SPS

超级质子同步加速器SPS1971年开始建造，主加速器平均直径达2200米。1976年开始运行，能量输出300GeV至 450GeV不等。它常被用来作质子-反质子对撞器，并为高能量电子及正电子加速。这些粒子最终被注入大型电子-正电子对撞器（LEP）。SPS于1983年改造成能量分别为400GeV的质子-反质子对撞机SP`PS，质子和反质子可在这里加速到270GeV然后进行对撞，所得到的质心系能量相当于155TeV的静止靶加速器进行同类实验所能达到的能量。由于亮度高于同时期美国费米实验室的Tevatron-I，在竞争中占了上风。意大利物理学家鲁比亚在SP`PS上发现了Z0及W±中间玻色子，统一了弱相互作用和电磁相互作用，并为此获得1984年诺贝尔物理奖。2007年后，SPS为大型强子对撞机（LHC）注入中子及重离子。

4.反质子积累器AA、低能反质子环LEAR、反质子收集器AC、反质子减速器AD

反质子积累器AA是一台反质子源，建于20世纪70年代末。其主要任务是产生和积累高能反质子注入到SPS，以便将SPS改造成一台“质子反质子对撞机”。为了在低能时用这些反质子得到更大收获，CERN建造了一台低能反质子环LEAR。反质子从反质子积累环AA中积累后引出，在质子同步加速器PS中减速，然后注入到低能反质子环LEAR进一步减速（LEAR1982年开始运行，1996年拆除）。反质子收集器AC建在反质子积累器AA附近，可将反质子的产生率提高10倍。

5.大型正负电子对撞机LEP

20世纪80年代，为了在与美国建造正负电子对撞机的竞争中占上风，CERN开始动工建造大型正负电子对撞机LEP，总投资6亿美元（由成员国共同承担）。

LEP周长27公里，主环跨越法国和瑞士国界，占地36公顷，安在地下50～175米的隧道中，隧道截面为半径1.9米的圆。LEP的主环上有488块36米长的二级铁、776块四极铁、504块六级铁、504块二级校正铁、128个高频腔。对撞区采用8块超导四极铁。1989年8月13日实现首次对撞，正负电子的能量分别为50GeV。LEP是由多级加速器串接而成，包括：LIL-EPA-PS-SPS-LEP，成为连续性的加速装置，使能量不断提高，每台机器将束流注入到下一台机器里，然后将束流加速到更高点的能量。

6.大型强子对撞机LHC

2001年，CERN决定拆除LEP原有的全部磁铁和设备，建造实现7.7TeV能量的质子-质子的对撞的大型强子对撞机LHC（LargeHadronCollider），总投资48 亿1千9百万瑞士法郎（由美国、日本、俄罗斯、印度等国共同出资）。LHC成为世界上最大的粒子加速器设施，21世纪前十多年中世界唯一的质子-质子对撞机，总撞击能量达14TeV，主要用于开展模拟宇宙大爆炸的实验，寻找理论上预见的物理现象。

7.长基线中微子实验CNGS

CERN将SPS加速器产生的高能中微子束流从地下发送到730公里以外的意大利GranSasso国家实验室研究中微子振荡的实验称为CNGS，包括西欧中心、中国和日本在内的12个国家的33个研究机构参加了此项目。项目总经费为7100万瑞士法郎，由几个成员国提供，其中意大利提供4860万瑞士法郎，其余由比利时、法国、德国、西班牙和瑞士提供。

（本文由中国科学院成都文献情报中心供稿）