BESⅢ主漂移室徑跡重建軟件的設(shè)計與開發(fā).pdf

1、北京正負(fù)電子對撞機BEPC Ⅱ正在建造之中，并且已經(jīng)于2007年13月實現(xiàn)了正負(fù)電子束對撞。北京譜儀Ⅲ(BES Ⅲ)是BEPC Ⅱ上的一個全新的采用現(xiàn)代探測技術(shù)建造的高精度探測器，其主要物理目標(biāo)是在?。幽軈^(qū)進行弱電相互作用和強相互作用研究以及新物理的尋找，其實驗結(jié)果將極大地促進粒子物理的發(fā)展。BES Ⅲ將在夸克和輕子兩個方面對電弱相互作用理論進行精確的檢驗：通過D和D<,s>介子的純輕子衰變可極大地提高對CKM矩陣元的測量精度；對T<

2、'+>T<'->產(chǎn)生截面的測量結(jié)果可用于驗證非相對論QED (NRQED)理論對該截面的計算結(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制。在T-粲能區(qū)對QCD的研究包括以下幾個方面：基本QCD參數(shù)的測量，如強相互作用耦合常數(shù)α<,s>，粲夸克質(zhì)量m<,c>等；輕強子譜的精確測量；尋找QCD預(yù)言的各種含膠子的態(tài)，如膠子球、混雜態(tài)等；通過測量粲偶素的產(chǎn)生和衰變研究粲偶素的性質(zhì)以檢驗和發(fā)展OCD理論的計算。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衰變過程中的輕子和重子數(shù)破壞過程、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的重要的子探測器，其主要功能是精確測量帶電粒子的動量和能量損失(用于粒子鑒別)。主漂移室共有43個信號絲層，每4個信號絲層被組合成為一個超層(最后一個超層包含3個信號絲層)。帶電粒子穿過漂移室時，與室內(nèi)氣體介質(zhì)發(fā)

4、生相互作用，在信號絲上產(chǎn)生脈沖信號，從而探測到帶電粒子的空間位置。43個信號絲層可對帶電粒子的徑跡進行最多43次的測量。最外層信號絲所覆蓋的極角達到cosO=±0.93。信號絲層分為軸絲層和斜絲層兩種類型，斜絲層用于測量帶電粒子的縱向位置。整個MDC位于場強為1.0T的超導(dǎo)磁鐵內(nèi)。主漂移室的單絲空間分辨率設(shè)計值為130μm；動量為1GeV/c時，動量分辨率的設(shè)計值為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量。徑跡重建的步驟是：1)采用適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R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中的運動方程進行徑跡擬和，從而得到帶電粒子的動量。由于在e+e一對撞過程中一般會產(chǎn)生多個帶電粒子且MDC也會產(chǎn)生一些噪聲信號，因此，帶電粒子徑跡重建是離線數(shù)據(jù)處理中較為復(fù)雜的過程。本論文的主要目的就是為。BESⅢ實驗設(shè)計開發(fā)高

6、效、實用和精確的主漂移室?guī)щ娏Ｗ又亟ǔ绦颉１菊撐牡闹饕ぷ魇牵涸贐ES 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)計技術(shù)，并使用C++語言開發(fā)了主漂移室重建軟件包MdcPatRec，并利用蒙特卡羅數(shù)據(jù)對其性能進行了嚴(yán)格的檢驗，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、法進行徑跡尋找。徑跡尋找算法事先把徑跡穿過超層留下的擊中信號保存為模式字典，在尋跡時把擊中鄰居組與模式字典中的模板進行匹配，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、針對次級頂點徑跡的特點開發(fā)了MdcxReco算法用于重建非原點出發(fā)和低橫動量徑跡的重建。MdcxReco也是基于模式匹配方法進行徑跡尋找的算法。為了適應(yīng)低動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徑跡。連接后的長徑跡使用最小二乘法進行徑跡擬合。MdcPatRec基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)，特點是模

9、塊化強，具有良好的重用性和擴展性，程序的控制參數(shù)可以在運行時通過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BESⅢ主漂移室離線重建軟件的結(jié)果進行了檢查，并對重建性能指標(biāo)進行了分析。文中對各種不同事例的重建速度進行了測量，平均重建單徑跡μ的重建速度約為每條徑跡14ms，對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行時間，徑跡擬合占

10、了重建的60﹪時間。MdcPatRec運行J/ →μ<'+>p<'->事例占用內(nèi)存約為50 MB，并且運行大量數(shù)據(jù)沒有內(nèi)存泄漏，可以滿足BESⅢ離線重建長時間運行的要求?！ぶ亟ㄐ适侵髌剖业闹匾阅苤弧τ趩螐桔Ee<'->，μ<'->，π<'->3種粒子，當(dāng)橫動量大于0．12 GeV／c·時，尋跡效率都在90﹪以上。而且通過對不同極角下的徑跡重建效率的考察，驗證了MdcPatRec在各個極角上的重建是均勻的，對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行了比較，φ<,0>與其真值之差的分布經(jīng)過加權(quán)雙高斯擬合得到的分辨為σ(△φ<,0>)=2．47 mRad；橫動量分辨達到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、同橫動量下的數(shù)據(jù)檢察了徑跡參數(shù)分辨與橫動量的關(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。 ·動量分辨和空間分辨也是體現(xiàn)算法性能的重要指標(biāo)。對于J/Ψ→μ<'+>μ<'->事例樣本，重建徑跡動量分辨為σ(p)p=0．60﹪；對于橫動量為1 GeV/c的μ一徑跡，動量分辨σ(p)/p=0．48﹪，這與BES Ⅲ主漂移室的設(shè)計要求一致。當(dāng)輸入空間分辨的平均值為120/μm時，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。為檢查噪聲對重建的影響，模擬產(chǎn)生了不同噪聲水平上動量分別為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性能指標(biāo)均滿足要求。通過與模擬數(shù)據(jù)的比對，發(fā)現(xiàn)在加入20﹪的噪聲后重建擊中數(shù)大約會減少2個。 ·我們還研究了單元效率、頂點晃動、事例起始時

14、間對重建結(jié)果的影響。在98﹪的單元效率下，重建性能不會有太大影響，但是最后一個超層會丟失一部分效率。三個束團和噪聲的加入會使重建效率降低；動量分辨和空間分辨主要受噪聲的影響；束團晃動對頂點分辨的影響較大。更進一步的研究將在以后的工作中繼續(xù)進行。 ·為了驗證MdcPatRec在物理分析工作中的性能，使用蒙特卡羅數(shù)據(jù)對初步的物理結(jié)果進行了檢驗。主要包括Ψ(2S)→π<,+>π<'->，J/Ψ→π<'+>π<'->l<'+>l<'->

15、衰變道進行了輕子的重建效率、輕子鑒別效率的檢查；并使用MdcxReco次級定點粒子尋跡軟件包，考察了K<'o><,s>→π<'+>π<'->-非原點出發(fā)的K<'o><,s>粒子的尋跡效率；同時，次級頂點粒子的重建質(zhì)量和壽命也根據(jù)K<'o><,s>→π<'+>π<'->和<'->→∧π<'->，∧→pπ<'->衰變道進行了分析；各項結(jié)果均與預(yù)期符合。通過物理分析的檢查可以看到，對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、進行的物理分析工作狀態(tài)良好結(jié)果正常，MdcxReco對次級頂點徑跡的尋跡作了很好的補充。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)來檢查MdcPatRec的重建性能，從各方面的指標(biāo)來看，主漂移重建軟件MdcPatRec處于較好的狀態(tài)，具有效率高，各項分辨好，速度快的優(yōu)點，為其它子探測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實驗的