BESⅢ主漂移室徑跡重建軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā).pdf

1、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)BEPC Ⅱ正在建造之中，并且已經(jīng)于2007年13月實(shí)現(xiàn)了正負(fù)電子束對(duì)撞。北京譜儀Ⅲ(BES Ⅲ)是BEPC Ⅱ上的一個(gè)全新的采用現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)建造的高精度探測(cè)器，其主要物理目標(biāo)是在丁．粲能區(qū)進(jìn)行弱電相互作用和強(qiáng)相互作用研究以及新物理的尋找，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果將極大地促進(jìn)粒子物理的發(fā)展。BES Ⅲ將在夸克和輕子兩個(gè)方面對(duì)電弱相互作用理論進(jìn)行精確的檢驗(yàn)：通過(guò)D和D<,s>介子的純輕子衰變可極大地提高對(duì)CKM矩陣元的測(cè)量精度；對(duì)T<

2、'+>T<'->產(chǎn)生截面的測(cè)量結(jié)果可用于驗(yàn)證非相對(duì)論QED (NRQED)理論對(duì)該截面的計(jì)算結(jié)果，這將有助于我們更好地理解T<'+>T<'->在閾值附近的相互作用機(jī)制。在T-粲能區(qū)對(duì)QCD的研究包括以下幾個(gè)方面：基本QCD參數(shù)的測(cè)量，如強(qiáng)相互作用耦合常數(shù)α<,s>，粲夸克質(zhì)量m<,c>等；輕強(qiáng)子譜的精確測(cè)量；尋找QCD預(yù)言的各種含膠子的態(tài)，如膠子球、混雜態(tài)等；通過(guò)測(cè)量粲偶素的產(chǎn)生和衰變研究粲偶素的性質(zhì)以檢驗(yàn)和發(fā)展OCD理論的計(jì)算。在T-

3、粲能區(qū)也存在著尋找新物理的可能性，如D或D<,s>的產(chǎn)生、在J/ψ衰變過(guò)程中的輕子和重子數(shù)破壞過(guò)程、D<'0>D 混合、味道改變的中性流(FCNC)等。 主漂移室(Main Drft Chamber，MDC)是BES Ⅲ的重要的子探測(cè)器，其主要功能是精確測(cè)量帶電粒子的動(dòng)量和能量損失(用于粒子鑒別)。主漂移室共有43個(gè)信號(hào)絲層，每4個(gè)信號(hào)絲層被組合成為一個(gè)超層(最后一個(gè)超層包含3個(gè)信號(hào)絲層)。帶電粒子穿過(guò)漂移室時(shí)，與室內(nèi)氣體介質(zhì)發(fā)

4、生相互作用，在信號(hào)絲上產(chǎn)生脈沖信號(hào)，從而探測(cè)到帶電粒子的空間位置。43個(gè)信號(hào)絲層可對(duì)帶電粒子的徑跡進(jìn)行最多43次的測(cè)量。最外層信號(hào)絲所覆蓋的極角達(dá)到cosO=±0.93。信號(hào)絲層分為軸絲層和斜絲層兩種類型，斜絲層用于測(cè)量帶電粒子的縱向位置。整個(gè)MDC位于場(chǎng)強(qiáng)為1.0T的超導(dǎo)磁鐵內(nèi)。主漂移室的單絲空間分辨率設(shè)計(jì)值為130μm；動(dòng)量為1GeV/c時(shí)，動(dòng)量分辨率的設(shè)計(jì)值為σpt/Pt=0.5﹪。 帶電粒子的徑跡重建是BES Ⅲ離線數(shù)據(jù)

5、處理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是利用MDC所記錄的帶電粒子的空間位置信息精確地重建帶電粒子的徑跡和動(dòng)量。徑跡重建的步驟是：1)采用適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別方法將MDC所記錄的帶電粒子的擊中組合成徑跡；2)利用帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行徑跡擬和，從而得到帶電粒子的動(dòng)量。由于在e+e一對(duì)撞過(guò)程中一般會(huì)產(chǎn)生多個(gè)帶電粒子且MDC也會(huì)產(chǎn)生一些噪聲信號(hào)，因此，帶電粒子徑跡重建是離線數(shù)據(jù)處理中較為復(fù)雜的過(guò)程。本論文的主要目的就是為。BESⅢ實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)高

6、效、實(shí)用和精確的主漂移室?guī)щ娏Ｗ又亟ǔ绦?。本論文的主要工作是：在BES Ⅲ離線數(shù)據(jù)處理框架(BesⅢ Omine SoftwareSystem，BOSS)下，利用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)，并使用C++語(yǔ)言開發(fā)了主漂移室重建軟件包MdcPatRec，并利用蒙特卡羅數(shù)據(jù)對(duì)其性能進(jìn)行了嚴(yán)格的檢驗(yàn)，證明該軟件包可以很好地滿足BESⅢ離線數(shù)據(jù)分析的需要。 在MdcPatRec中，徑跡重建算法分為徑跡尋找和徑跡擬合兩部分，使用基于模式匹配的方

7、法進(jìn)行徑跡尋找。徑跡尋找算法事先把徑跡穿過(guò)超層留下的擊中信號(hào)保存為模式字典，在尋跡時(shí)把擊中鄰居組與模式字典中的模板進(jìn)行匹配，匹配成功的擊中組合成為徑跡段。模式字典共有4擊中模式8種，3擊中模式20種。徑跡段連接算法把軸絲超層的徑跡段連接成二維圓徑跡，并把圓徑跡和斜絲超層的徑跡段連接成三維螺旋線徑跡。圓徑跡和螺旋線徑跡都使用最小二乘法分別作3參數(shù)和5參數(shù)擬合，得到重建徑跡。重建后的徑跡要使用擊中判別算法分配屬于多條徑跡的擊中。此外，我們還

8、針對(duì)次級(jí)頂點(diǎn)徑跡的特點(diǎn)開發(fā)了MdcxReco算法用于重建非原點(diǎn)出發(fā)和低橫動(dòng)量徑跡的重建。MdcxReco也是基于模式匹配方法進(jìn)行徑跡尋找的算法。為了適應(yīng)低動(dòng)量和短徑跡尋跡的要求，MdcxReco的模式字典共有4擊中模式14種，3擊中模式20種。徑跡段連接算法將每三個(gè)相鄰超層的徑跡段連接成一組，并以該組徑跡段為種子，向內(nèi)向外連接其它徑跡段成為長(zhǎng)徑跡。連接后的長(zhǎng)徑跡使用最小二乘法進(jìn)行徑跡擬合。MdcPatRec基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)，特點(diǎn)是模

9、塊化強(qiáng)，具有良好的重用性和擴(kuò)展性，程序的控制參數(shù)可以在運(yùn)行時(shí)通過(guò)job Option文件調(diào)整。 文中我們使用蒙特卡羅模擬數(shù)據(jù)，在BOSS離線軟件版本6.1.0下，對(duì)BESⅢ主漂移室離線重建軟件的結(jié)果進(jìn)行了檢查，并對(duì)重建性能指標(biāo)進(jìn)行了分析。文中對(duì)各種不同事例的重建速度進(jìn)行了測(cè)量，平均重建單徑跡μ的重建速度約為每條徑跡14ms，對(duì)J/→anything事例的重建速度為每條徑跡150ms。此外，還給出程序各部分所占運(yùn)行時(shí)間，徑跡擬合占

10、了重建的60﹪時(shí)間。MdcPatRec運(yùn)行J/ →μ<'+>p<'->事例占用內(nèi)存約為50 MB，并且運(yùn)行大量數(shù)據(jù)沒(méi)有內(nèi)存泄漏，可以滿足BESⅢ離線重建長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的要求?！ぶ亟ㄐ适侵髌剖业闹匾阅苤弧?duì)于單徑跡e<'->，μ<'->，π<'->3種粒子，當(dāng)橫動(dòng)量大于0．12 GeV／c·時(shí)，尋跡效率都在90﹪以上。而且通過(guò)對(duì)不同極角下的徑跡重建效率的考察，驗(yàn)證了MdcPatRec在各個(gè)極角上的重建是均勻的，對(duì)于大角度出射的粒子同樣

11、具有較高的重建效率。 ·主漂移室徑跡重建采用5參數(shù)(d<,0>，φ<,0> Z<,0>，tanλ)描述重建徑跡。對(duì)于1 GeWc的單徑跡μ<'->一事例，將重建徑跡參數(shù)與蒙特卡羅模擬真值進(jìn)行了比較，φ<,0>與其真值之差的分布經(jīng)過(guò)加權(quán)雙高斯擬合得到的分辨為σ(△φ<,0>)=2．47 mRad；橫動(dòng)量分辨達(dá)到σ(△<,PT>)=5．31 MeV/c；z<,0>與其真值之差的分布σ(z<,0>)=0．79 mm。另外我們還使用了不

12、同橫動(dòng)量下的數(shù)據(jù)檢察了徑跡參數(shù)分辨與橫動(dòng)量的關(guān)系和徑跡參數(shù)間的相關(guān)性，并給出了其它重建徑跡參量的分布，各種性能都基本滿足要求。 ·動(dòng)量分辨和空間分辨也是體現(xiàn)算法性能的重要指標(biāo)。對(duì)于J/Ψ→μ<'+>μ<'->事例樣本，重建徑跡動(dòng)量分辨為σ(p)p=0．60﹪；對(duì)于橫動(dòng)量為1 GeV/c的μ一徑跡，動(dòng)量分辨σ(p)/p=0．48﹪，這與BES Ⅲ主漂移室的設(shè)計(jì)要求一致。當(dāng)輸入空間分辨的平均值為120/μm時(shí)，J/Ψ→μ<'+>μ<

13、'->事例空間分辨為118．8μm。 ·主漂移室噪聲的模擬使用基于BESII噪聲分布的噪聲模型。為檢查噪聲對(duì)重建的影響，模擬產(chǎn)生了不同噪聲水平上動(dòng)量分別為1 GeV/c和200 MeV/c的單電子事例，在噪聲水平90﹪以內(nèi)，重建性能會(huì)隨噪聲水平的增加而緩慢變差，但即使在高噪聲水平下各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求。通過(guò)與模擬數(shù)據(jù)的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)在加入20﹪的噪聲后重建擊中數(shù)大約會(huì)減少2個(gè)。 ·我們還研究了單元效率、頂點(diǎn)晃動(dòng)、事例起始時(shí)

14、間對(duì)重建結(jié)果的影響。在98﹪的單元效率下，重建性能不會(huì)有太大影響，但是最后一個(gè)超層會(huì)丟失一部分效率。三個(gè)束團(tuán)和噪聲的加入會(huì)使重建效率降低；動(dòng)量分辨和空間分辨主要受噪聲的影響；束團(tuán)晃動(dòng)對(duì)頂點(diǎn)分辨的影響較大。更進(jìn)一步的研究將在以后的工作中繼續(xù)進(jìn)行。 ·為了驗(yàn)證MdcPatRec在物理分析工作中的性能，使用蒙特卡羅數(shù)據(jù)對(duì)初步的物理結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。主要包括Ψ(2S)→π<,+>π<'->，J/Ψ→π<'+>π<'->l<'+>l<'->

15、衰變道進(jìn)行了輕子的重建效率、輕子鑒別效率的檢查；并使用MdcxReco次級(jí)定點(diǎn)粒子尋跡軟件包，考察了K<'o><,s>→π<'+>π<'->-非原點(diǎn)出發(fā)的K<'o><,s>粒子的尋跡效率；同時(shí)，次級(jí)頂點(diǎn)粒子的重建質(zhì)量和壽命也根據(jù)K<'o><,s>→π<'+>π<'->和<'->→∧π<'->，∧→pπ<'->衰變道進(jìn)行了分析；各項(xiàng)結(jié)果均與預(yù)期符合。通過(guò)物理分析的檢查可以看到，對(duì)于理想的蒙特卡羅數(shù)據(jù)，MdcPatRec主漂移室徑跡重建結(jié)果

16、進(jìn)行的物理分析工作狀態(tài)良好結(jié)果正常，MdcxReco對(duì)次級(jí)頂點(diǎn)徑跡的尋跡作了很好的補(bǔ)充。主漂移室徑跡重建軟件MdcPatRec在BOSS框架下開發(fā)完成，已經(jīng)用于BESⅢ數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)備工作。我們使用了大量不同類型的數(shù)據(jù)來(lái)檢查MdcPatRec的重建性能，從各方面的指標(biāo)來(lái)看，主漂移重建軟件MdcPatRec處于較好的狀態(tài)，具有效率高，各項(xiàng)分辨好，速度快的優(yōu)點(diǎn)，為其它子探測(cè)器重建和物理分析提供了較好的重建徑跡參數(shù)，基本能夠滿足BES Ⅲ實(shí)驗(yàn)的