BESⅢμ子鉴别器离线软件开发、性能测试和校准研究

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BESIII探测器是运行于北京正负电子对撞机(BEPCII)上的新型谱仪,其中μ子鉴别器位于BESIII最外层,主要用于μ子的测量和鉴别。与BESII相比,升级后的BESIII探测器性能有很大提高,探测器的结构等也有了很大差异,因此我们需要一套全新的离线处理软件。BESIII离线处理软件(BOSS)是基于面向对象程序语言C++开发的。在BESIII离线软件中,本人主要负责μ子鉴别器的离线软件的开发,以及基于GDML的统一几何描述的应用和推广。本论文的主要内容包括以下几方面:(1)BESIII离线软件中统一几何描述的实现,即几何描述标记语言(GDML)的功能扩展以及在BESIII探测器上的推广应用;(2)μ子鉴别器离线软件的开发,即模拟软件、重建软件和μ子鉴别软件的研发;(3)μ子鉴别器离线软件的性能检测以及μ子鉴别器软件校准的研究。   在高能实验的离线软件中,模拟、重建、事例显示等应用程序都需要用到探测器的几何描述。通常情况下,不同应用程序需要分别进行探测器描述,因此很难保证离线软件中几何描述的一致性。在BESIII的离线软件中,我们使用了一种独立于应用程序的几何描述语言(GDML)来描述探测器。以μ子鉴别器作为试点首先使用GDML进行几何描述。在模拟中利用GDML—GEANT4接口可以自动将GDML描述转换为GEANT4几何:在重建和事例显示软件中利用我们北大组开发的GDML—ROOT接口可以自动将GDML描述转换为ROOT几何,为重建程序和事例显示提供几何服务。在高能实验中首次实现了同一套几何描述在离线软件的不同应用程序中的共享。GDML在μ子鉴别器上的成功应用使我们有信心将其推广到其它子探测器中,为此,我们升级了GDML软件、新增了Trap参数化功能、并详细验证了几何转换中的一致性。目前,除了主漂移室的重建软件外,其他应用程序均以GDML描述作为几何输入。从开发初期到现在,GDML在BESIII离线软件中度过了6年。这期间,无论是软件本身的开发,还是运行测试,都倾注了我们无数汗水。NIM杂志编审评价认为,我们的几何描述应用方式是非常值得其它实验借鉴的。   μ子鉴别器的离线软件开发包括三部分,即模拟软件、径迹重建、μ子鉴别软件。μ子鉴别器的模拟软件是我们基于GEANT4开发的。模拟中,几何描述接近真实探测器构造、能够方便的读入刻度常数、可以利用真实化框架混合本底。现在模拟程序已经能够提供精确的模拟数据并稳定运行。重建软件包含有两种主要的重建方法,即基于主漂径迹外推的方法和μ子鉴别器自重建方法,在大部分动量范围内对μ子径迹的重建效率达到99%,达到了设计目标。对于真实数据,为提高重建效率,目前采用两种重建方法联合运行的模式。重建软件中还提供了径迹在各层期望击中位置的列表,为刻度算法提供了软件支持。同时利用神经网络元方法,研究了不同重建变量对μ子鉴别的影响,如外推径迹与MUC第一层着火条之间的距离。加入这些鉴别变量,可以在μ子鉴别效率维持在约90%的条件下,将π的污染率从约5%压低到4%。μ子鉴别器的离线软件经过模拟数据的测试证明算法是完全可靠的。   除了经过模拟数据的测试之外,我们还利用真实的宇宙线和挑选的部分μ子对事例,对离线软件进行了详细的测试。模拟样本的空间分布、击中数分布、重建径迹的方向、穿透深度、最大击中数等物理量与真实数据基本符合,表明μ子鉴别器的离线软件是可靠的。同时利用这些真实数据提取了读出条的空间分辨,与从模拟数据提取的数值基本相符。并开发了通过离线软件监控RPC状态的程序,可以在不经过刻度的情况下,直接监控RPC的状态。μ子鉴别器的离线软件通过模拟数据和真实数据的测试证明是可靠的,各项指标基本达到了设计要求,完全可以满足BESIII数据分析的要求。   μ子鉴别器的软件校准主要是通过离线软件获取RPC在缝隙中的偏移距离。通过模拟样本我们研究了两种校准方法,即基于主漂外推径迹作为参考的方法和基于MUC径迹作为参考的方法,最终选择以主漂径迹外推作为参考的方法校准RPC的位置。利用真实宇宙线数据中主漂重建径迹精度较高的一个样本提取了各层RPC的偏移量,并通过与其它宇宙线样本及μ子对数据样本的比较分析了校准参数对主漂重建精度的依赖关系。最后通过MUC径迹作为参考的方法进行检验,表明所提取的各层RPC的偏移量是可靠的;并且主漂重建径迹精度越高,提取的校准参数越好。
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