高能物理實(shí)驗(yàn)徑跡系統(tǒng)流式數(shù)據(jù)獲取框架的研究

吳 冶 章紅宇 朱科軍 王之濱 陳瑪麗 祁輝榮

1（中國科學(xué)院高能物理研究所核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100049）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

高能物理實(shí)驗(yàn)旨在研究基本粒子及其相互作用，通過獲取和分析高精度、高統(tǒng)計(jì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)新粒子或測量已知粒子的特性。隨著高亮度加速器和高精度探測器的發(fā)展，高能物理實(shí)驗(yàn)的規(guī)模不斷增大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量急劇增長，海量數(shù)據(jù)的獲取、處理及分析將更具挑戰(zhàn)性。中國科學(xué)家在2012年9月提出了用于精確測量希格斯粒子特性的環(huán)形正負(fù)電 子 對 撞 機(jī)（Circular Electron Positron Collider，CEPC）方案，其核心探測器由硅像素頂點(diǎn)探測器、內(nèi)部硅徑跡室、時(shí)間投影室、外部硅徑跡室、量能器和繆子探測器等多個子探測器組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，硅像素頂點(diǎn)探測器和時(shí)間投影室探測器是通道數(shù)最多、產(chǎn)生數(shù)據(jù)量最大的兩個子探測器。

圖1 CEPC核心探測器模型Fig.1 CEPC core detector model

根據(jù)CEPC概念設(shè)計(jì)報(bào)告［1］中的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，當(dāng)一級觸發(fā)為100 kHz時(shí)，CEPC所有探測器原始讀出的數(shù)據(jù)率約為2 TB·s-1，其中硅像素頂點(diǎn)探測器約有6.90×108個通道，讀出數(shù)據(jù)率約為830 GB·s-1，時(shí)間投影室（Time Projection Chamber，TPC）約有2×106個通道，讀出數(shù)據(jù)率約為500 GB·s-1，這兩種探測器的數(shù)據(jù)將占到CEPC數(shù)據(jù)讀出總帶寬的65%。

CEPC所需要的硅像素徑跡探測器、時(shí)間投影室徑跡探測器及其激光校正分別獲得了科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助，開展前期預(yù)研。作為以上探測器預(yù)研課題的一部分，為應(yīng)對這兩種探測器超高數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)采集和處理需求，本文嘗試結(jié)合目前成熟的大數(shù)據(jù)技術(shù)，進(jìn)行新型數(shù)據(jù)獲取軟件的研究和探索，并在相關(guān)課題的原型機(jī)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測試。……