BESⅢ主漂移室径迹重建软件的设计与开发

摘要

北京正负电子对撞机BEPC Ⅱ正在建造之中，并且已经于2007年13月实现了正负电子束对撞。北京谱仪Ⅲ(BES Ⅲ)是BEPC Ⅱ上的一个全新的采用现代探测技术建造的高精度探测器，其主要物理目标是在丁．粲能区进行弱电相互作用和强相互作用研究以及新物理的寻找，其实验结果将极大地促进粒子物理的发展。BES Ⅲ将在夸克和轻子两个方面对电弱相互作用理论进行精确的检验：通过D和D<,s>介子的纯轻子衰变可极大地提高对CKM矩阵元的测量精度；对T<'+>T<'->产生截面的测量结果可用于验证非相对论QED (NRQED)理论对该截面的计算结果，这将有助于我们更好地理解T<'+>T<'->在阈值附近的相互作用机制。在T-粲能区对QCD的研究包括以下几个方面：基本QCD参数的测量，如强相互作用耦合常数α<,s>，粲夸克质量m<,c>等；轻强子谱的精确测量；寻找QCD预言的各种含胶子的态，如胶子球、混杂态等；通过测量粲偶素的产生和衰变研究粲偶素的性质以检验和发展OCD理论的计算。在T-粲能区也存在着寻找新物理的可能性，如D或D<,s>的产生、在J/ψ衰变过程中的轻子和重子数破坏过程、D<'0>D 混合、味道改变的中性流(FCNC)等。 主漂移室(Main Drft Chamber，MDC)是BES Ⅲ的重要的子探测器，其主要功能是精确测量带电粒子的动量和能量损失(用于粒子鉴别)。主漂移室共有43个信号丝层，每4个信号丝层被组合成为一个超层(最后一个超层包含3个信号丝层)。带电粒子穿过漂移室时，与室内气体介质发生相互作用，在信号丝上产生脉冲信号，从而探测到带电粒子的空间位置。43个信号丝层可对带电粒子的径迹进行最多43次的测量。最外层信号丝所覆盖的极角达到cosO=±0.93。信号丝层分为轴丝层和斜丝层两种类型，斜丝层用于测量带电粒子的纵向位置。整个MDC位于场强为1.0T的超导磁铁内。主漂移室的单丝空间分辨率设计值为130μm；动量为1GeV/c时，动量分辨率的设计值为σpt/Pt=0.5﹪。 带电粒子的径迹重建是BES Ⅲ离线数据处理过程中的重要环节，其主要任务是利用MDC所记录的带电粒子的空间位置信息精确地重建带电粒子的径迹和动量。径迹重建的步骤是：1)采用适当的模式识别方法将MDC所记录的带电粒子的击中组合成径迹；2)利用带电粒子在磁场中的运动方程进行径迹拟和，从而得到带电粒子的动量。由于在e+e一对撞过程中一般会产生多个带电粒子且MDC也会产生一些噪声信号，因此，带电粒子径迹重建是离线数据处理中较为复杂的过程。本论文的主要目的就是为。BESⅢ实验设计开发高效、实用和精确的主漂移室带电粒子重建程序。本论文的主要工作是：在BES Ⅲ离线数据处理框架(BesⅢ Omine SoftwareSystem，BOSS)下，利用面向对象的程序设计技术，并使用C++语言开发了主漂移室重建软件包MdcPatRec，并利用蒙特卡罗数据对其性能进行了严格的检验，证明该软件包可以很好地满足BESⅢ离线数据分析的需要。 在MdcPatRec中，径迹重建算法分为径迹寻找和径迹拟合两部分，使用基于模式匹配的方法进行径迹寻找。径迹寻找算法事先把径迹穿过超层留下的击中信号保存为模式字典，在寻迹时把击中邻居组与模式字典中的模板进行匹配，匹配成功的击中组合成为径迹段。模式字典共有4击中模式8种，3击中模式20种。径迹段连接算法把轴丝超层的径迹段连接成二维圆径迹，并把圆径迹和斜丝超层的径迹段连接成三维螺旋线径迹。圆径迹和螺旋线径迹都使用最小二乘法分别作3参数和5参数拟合，得到重建径迹。重建后的径迹要使用击中判别算法分配属于多条径迹的击中。此外，我们还针对次级顶点径迹的特点开发了MdcxReco算法用于重建非原点出发和低横动量径迹的重建。MdcxReco也是基于模式匹配方法进行径迹寻找的算法。为了适应低动量和短径迹寻迹的要求，MdcxReco的模式字典共有4击中模式14种，3击中模式20种。径迹段连接算法将每三个相邻超层的径迹段连接成一组，并以该组径迹段为种子，向内向外连接其它径迹段成为长径迹。连接后的长径迹使用最小二乘法进行径迹拟合。MdcPatRec基于面向对象技术开发，特点是模块化强，具有良好的重用性和扩展性，程序的控制参数可以在运行时通过job Option文件调整。 文中我们使用蒙特卡罗模拟数据，在BOSS离线软件版本6.1.0下，对BESⅢ主漂移室离线重建软件的结果进行了检查，并对重建性能指标进行了分析。文中对各种不同事例的重建速度进行了测量，平均重建单径迹μ的重建速度约为每条径迹14ms，对J/→anything事例的重建速度为每条径迹150ms。此外，还给出程序各部分所占运行时间，径迹拟合占了重建的60﹪时间。MdcPatRec运行J/ →μ<'+>p<'->事例占用内存约为50 MB，并且运行大量数据没有内存泄漏，可以满足BESⅢ离线重建长时间运行的要求。·重建效率是主漂移室的重要性能之一。对于单径迹e<'->，μ<'->，π<'->3种粒子，当横动量大于0．12 GeV／c·时，寻迹效率都在90﹪以上。而且通过对不同极角下的径迹重建效率的考察，验证了MdcPatRec在各个极角上的重建是均匀的，对于大角度出射的粒子同样具有较高的重建效率。 ·主漂移室径迹重建采用5参数(d<,0>，φ<,0> Z<,0>，tanλ)描述重建径迹。对于1 GeWc的单径迹μ<'->一事例，将重建径迹参数与蒙特卡罗模拟真值进行了比较，φ<,0>与其真值之差的分布经过加权双高斯拟合得到的分辨为σ(△φ<,0>)=2．47 mRad；横动量分辨达到σ(△<,PT>)=5．31 MeV/c；z<,0>与其真值之差的分布σ(z<,0>)=0．79 mm。另外我们还使用了不同横动量下的数据检察了径迹参数分辨与横动量的关系和径迹参数间的相关性，并给出了其它重建径迹参量的分布，各种性能都基本满足要求。 ·动量分辨和空间分辨也是体现算法性能的重要指标。对于J/Ψ→μ<'+>μ<'->事例样本，重建径迹动量分辨为σ(p)p=0．60﹪；对于横动量为1 GeV/c的μ一径迹，动量分辨σ(p)/p=0．48﹪，这与BES Ⅲ主漂移室的设计要求一致。当输入空间分辨的平均值为120/μm时，J/Ψ→μ<'+>μ<'->事例空间分辨为118．8μm。 ·主漂移室噪声的模拟使用基于BESII噪声分布的噪声模型。为检查噪声对重建的影响，模拟产生了不同噪声水平上动量分别为1 GeV/c和200 MeV/c的单电子事例，在噪声水平90﹪以内，重建性能会随噪声水平的增加而缓慢变差，但即使在高噪声水平下各项性能指标均满足要求。通过与模拟数据的比对，发现在加入20﹪的噪声后重建击中数大约会减少2个。 ·我们还研究了单元效率、顶点晃动、事例起始时间对重建结果的影响。在98﹪的单元效率下，重建性能不会有太大影响，但是最后一个超层会丢失一部分效率。三个束团和噪声的加入会使重建效率降低；动量分辨和空间分辨主要受噪声的影响；束团晃动对顶点分辨的影响较大。更进一步的研究将在以后的工作中继续进行。 ·为了验证MdcPatRec在物理分析工作中的性能，使用蒙特卡罗数据对初步的物理结果进行了检验。主要包括Ψ(2S)→π<,+>π<'->，J/Ψ→π<'+>π<'->l<'+>l<'->衰变道进行了轻子的重建效率、轻子鉴别效率的检查；并使用MdcxReco次级定点粒子寻迹软件包，考察了K<'o><,s>→π<'+>π<'->-非原点出发的K<'o><,s>粒子的寻迹效率；同时，次级顶点粒子的重建质量和寿命也根据K<'o><,s>→π<'+>π<'->和<'->→∧π<'->，∧→pπ<'->衰变道进行了分析；各项结果均与预期符合。通过物理分析的检查可以看到，对于理想的蒙特卡罗数据，MdcPatRec主漂移室径迹重建结果进行的物理分析工作状态良好结果正常，MdcxReco对次级顶点径迹的寻迹作了很好的补充。主漂移室径迹重建软件MdcPatRec在BOSS框架下开发完成，已经用于BESⅢ数据分析的准备工作。我们使用了大量不同类型的数据来检查MdcPatRec的重建性能，从各方面的指标来看，主漂移重建软件MdcPatRec处于较好的状态，具有效率高，各项分辨好，速度快的优点，为其它子探测器重建和物理分析提供了较好的重建径迹参数，基本能够满足BES Ⅲ实验的使用要求。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录、表目录、符号说明

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章引言

1.1粒子物理

1.2粒子物理实验

1.3实验数据处理软件

1.4选题背景及论文结构

第二章北京正负电子对撞机Ⅱ及北京谱仪Ⅲ

2.1北京正负电子对撞机-BEPC Ⅱ

2.2北京谱仪Ⅲ的物理目标

2.3北京谱仪Ⅲ-BES Ⅲ

2.3.1束流管

2.3.2主漂移室

2.3.3飞行时间计数器

2.3.4电磁量能器

2.3.5超导磁体

2.3.6μ子鉴别器

2.3.7触发判选系统

2.3.8在线数据获取系统

2.4北京谱仪Ⅲ离线软件系统

2.4.1离线数据处理计算环境

2.4.2 BES Ⅲ离线软件系统框架(BOSS)

2.4.3 BES Ⅲ探测器模拟软件-BOOST

2.4.4 BES Ⅲ离线重建软件

2.4.5 BES Ⅲ物理分析、事例显示软件及其他

第三章BESⅢ主漂移室

3.1 BES Ⅲ主漂移室的设计

3.1.1单元设计

3.1.2丝层安排

3.1.3 工作气体

3.1.4机械设计

3.1.5预期性能

3.2 BES Ⅲ坐标系及符号约定

3.3主漂移室重建径迹参数

3.4主漂移室事例模型

3.5主漂移室几何服务

3.6主漂移室刻度和校准

3.7主漂移室离线重建软件

3.7.1主漂移室快速重建

3.7.2事例起始时间重建

3.7.3主漂移室径迹寻迹

3.7.4基于Kalman滤波的径迹拟合

3.7.5径迹外推

第四章主漂移室径迹重建算法MdcPatRec

4.1漂移室带电径迹重建原理

4.2基于模式识别的径迹重建算法

4.2.1模式字典

4.2.2径迹段寻找

4.2.3径迹段连接

4.2.4径迹段拟合

4.2.5径迹拟合

4.2.6击中判别

4.3 MdcPatRec重建软件实现

4.3.1软件模块及基类设计

4.3.2径迹重建数据流程

4.3.3事例数据模型

4.3.4重建算法流程

4.3.5可调参数与控制变量

4.4次级顶点径迹重建算法MdcxReco简介

4.5本章小结

第五章重建性能研究

5.1重建速度

5.2重建效率

5.3重建径迹参数

5.3.1螺旋线五参数分辨

5.3.2径迹参数分辨与横动量的关系

5.3.3径迹参数间的相关性

5.3.4其它径迹参数

5.4动量分辨

5.5空间分辨

5.6不同极角下的重建性能

5.7噪声对重建的影响

5.7.1噪声的模拟

5.7.2不同噪声水平下的重建性能

5.7.3噪声对重建击中数的影响

5.8单元效率对重建的影响

5.9各种因素对重建的影响的比较

5.10本章小结

第六章物理结果检查

6.1ψ(2S)→π+π-J/ψ，J/ψ→l+l-的性能检查

6.1.1软π的寻迹效率

6.1.2动量重建性能

6.1.3位置重建精度

6.1.4软π的粒子鉴别效率

6.2次级顶点径迹的重建性能检查

6.2.1次级顶点的重建

6.2.2 Ks0→π+π-

6.2.3Ξ-→∧π-，∧→pπ-

6.3本章小结

第七章总结和展望

参考文献

致谢

科研成果

发表论文一

发表论文二