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1、BESIII MDC 事例重建事例重建2010年年 8月月17日日中国科学院高能物理研究所中国科学院高能物理研究所毛毛泽普普中国科学院中国科学院“核探核探测技技术与核与核电子学子学”重点重点实验室室 主要内容主要内容 径迹寻找径迹寻找 径迹拟合径迹拟合 时间时间刻度刻度 dE/dx粒子鉴别粒子鉴别 总结总结 一一 径迹寻找径迹寻找 43丝丝层层(24S +19A) BESIII MDC 结构结构 6796 6796 信号丝信号丝 XY = 130 m, Pt/Pt = 0.5 %(1 GeV) dE/dx 分辨分辨 0.6-0.7%MDC 事例重建系统事例重建系统径迹属性径迹属性:空间位置空间
2、位置动量动量电荷电荷 粒子种类粒子种类 . MDC Event Rec.Hit wire IDTDC(时间时间) B(磁场磁场)Event TestTrackingKalman fit dE/dx PID事例起始时间计算事例起始时间计算我们开发了五种独立的方法共同完我们开发了五种独立的方法共同完成事例起始时间计算成事例起始时间计算: :1 MDC1 MDC径迹径迹TOFTOF匹配法匹配法2 EMC & TOF2 EMC & TOF匹配法匹配法3 MDC3 MDC径迹段直线拟合法径迹段直线拟合法4 MDC4 MDC径迹法径迹法5 MDC5 MDC径迹拟合方法径迹拟合方法效率效率：Bhabha，d
3、imu：99.8%Hadron: 99.6%Cosmic：99.9%误判率误判率1%时间分辨时间分辨: 0.3ns0.4nsMDC 径迹径迹快重建快重建 xy 100um z 4mm p 56MeVEff=99% xy 100um z 4mm p/p 56MeVFast, simple tracking for Test 在均匀在均匀z z向磁场中向磁场中(BX = BY = 0, Bz=C) 带电粒子运动轨迹带电粒子运动轨迹( (圆柱螺旋线圆柱螺旋线Z)Z)描述：描述：X(s) = x0 + Rcos( 0+hs cos /R) -cos 0Y(s) = y0 + Rsin( 0+hs co
4、s /R)-sin 0Z(s) = z0 + s sin x-y 平面投影平面投影: 园园 (d2X/ds2=cos2 /Rh )MDC 径迹径迹寻找寻找 在一个特定的参考系中径迹参数为在一个特定的参考系中径迹参数为: = (d , , , dz, tan )T , d : signed distance of helix from pivot in x-y plane, : The azimuthal angle to the helix center, : 1/pt, dz: signed z distance of the helix from pinot in the z direct
5、ion, tan : the slope of the track, : dip angle 拟合方法拟合方法 (Least Square Method) 2 = ( i/ i)2, i=1, nhits ; i =d(xi( i) di ( i = dfi - dmi ) 径迹属性径迹属性:Pt = 1/| |, Px = (1/| | ) (-sin( 0 + ),Py = (1/| |) cos( 0 + ), Pz =( 1/| |) tan E =(1/2) ( 2 2 / ( T ) -1MDC 径迹径迹寻找寻找我们开发了两套独立的我们开发了两套独立的径迹径迹寻找程序寻找程序: :
6、 MdcPatRec 和和 MdcTsfRecMdcTsfRec 两套程序均已用于两套程序均已用于MDCMDC的数据处理中的数据处理中, , 其原理如下其原理如下: : 当前基本性能当前基本性能: : (from J/ Run 9947 Bhabha events )Efficiency vs P pt/pt vs P Efficiency vs angle MDC 径迹径迹寻找程序基本性能寻找程序基本性能Tracking efficiency : Barrel: 98.6%CPU for MC data: about 10 ms/track 径迹径迹拟合的目的拟合的目的：二二 MDC径迹拟合
7、径迹拟合(Kalman-Filter方法方法) ) Kalman-Filter 基本原理基本原理： 对离散数据，用当前状态矢量预测下一个状态矢量的对离散数据，用当前状态矢量预测下一个状态矢量的LSMLSM方法方法 径迹径迹拟合的拟合的基本过程和原理：基本过程和原理：1.1.预测：预测：用径迹当前的状态矢量预测第用径迹当前的状态矢量预测第k k时候的状态矢量时候的状态矢量 2.2.过滤：过滤：加权组合第加权组合第k k时的预测信息和测量信息时的预测信息和测量信息, ,估计估计k k状态矢量信息状态矢量信息3.3.平滑：平滑：用全部时刻用全部时刻n(nn(nk)k)的测量信息回推的测量信息回推,
8、, 估计估计k k时刻的状态时刻的状态径迹径迹精细修正精细修正 NUMF, Multiple scattering, Energy loss 我们开发了五个不同用处的程序块，现已经用于物理分析中我们开发了五个不同用处的程序块，现已经用于物理分析中MDC 径迹拟合径迹拟合1.1.分析流程：分析流程：filterfilter单向由外往里单向由外往里, , 输出输出IPIP点参数，用于物理分析点参数，用于物理分析2.2.刻度流程：刻度流程：双向双向filterfilter迭加迭加, , 输出每点径迹参数输出每点径迹参数3.3.平滑平滑流程流程：输出每个击中层以及最外点径迹参数、每小段的飞行时间总和，
9、用输出每个击中层以及最外点径迹参数、每小段的飞行时间总和，用于于dE/dxdE/dx刻度，外推刻度，外推, TOF, TOF刻度等刻度等4.4.宇宙线校准流程：宇宙线校准流程：用于校准流程，将宇宙线进行连接并进行拟合用于校准流程，将宇宙线进行连接并进行拟合5.5.次级顶点重建工具：次级顶点重建工具：ExtToSecondVertexToolExtToSecondVertexTool按照用户指定的位置拟合按照用户指定的位置拟合. . MDC MDC 径迹拟合基本性能径迹拟合基本性能 by by 0.3GeV 0.3GeV coscos =0.83=0.83* MDC MDC 信号道数信号道数(
10、(信号数信号数): 6796): 6796三三 MDC 时间刻度时间刻度 * * 要达到空间分辨要达到空间分辨130130m, m, 动量分辨动量分辨 0.5%1GeV/c0.5%1GeV/c 时间刻度的任务与方法时间刻度的任务与方法( (反复叠带，逐渐逼反复叠带，逐渐逼近近) ) 数据样本：通常用数据样本：通常用BhabhaBhabha或或dimudimu事例事例 刻度理论模型刻度理论模型: : 径迹残差法径迹残差法Dmeas：径迹与信号丝间的测量距离：径迹与信号丝间的测量距离Dtrack: 拟合径迹与信号丝的距离拟合径迹与信号丝的距离(拟合距离）拟合距离） i： 该测量点的权重该测量点的权
11、重(空间分辨）空间分辨）* * X-TX-T关系刻度关系刻度* T0T0刻度刻度* * 时幅关系刻度时幅关系刻度* * 几何位置校几何位置校 刻度流程刻度流程 小单元漂移室中电子漂移特性小单元漂移室中电子漂移特性单元内电场分布不均匀导致了电子漂移速度的单元内电场分布不均匀导致了电子漂移速度的非均匀非均匀信号丝附近，电场较强，漂移速度较大信号丝附近，电场较强，漂移速度较大随着漂移距离的增大，电场逐渐减弱，漂移速随着漂移距离的增大，电场逐渐减弱，漂移速度也逐渐减小度也逐渐减小单元边界，漂移线严重弯曲，因而随着漂移距单元边界，漂移线严重弯曲，因而随着漂移距离的增大漂移时间迅速增大离的增大漂移时间迅速
12、增大磁场下电子漂移线等时线图磁场下电子漂移线等时线图 X-TX-T关系刻度原因关系刻度原因 MDC 时间刻度时间刻度X-TX-T关系刻度方法关系刻度方法时间谱积分法时间谱积分法dd-T-T迭代法迭代法 X-T X-T 关系函数关系函数 采用采用5 5 阶多项阶多项式式 1 1阶多项式阶多项式漂移时间与漂移距离的关系漂移时间与漂移距离的关系漂移时间分布漂移时间分布 T0T0刻度方法和原理刻度方法和原理 MDC 时间刻度时间刻度* * 对时间分布前沿进行拟合，得到对时间分布前沿进行拟合，得到T0T0的初始值的初始值 时幅关系刻度时幅关系刻度T0 T0 的初步确定的初步确定信号脉冲幅度引起时间游动信
13、号脉冲幅度引起时间游动如果用二次函数描述信号上升沿如果用二次函数描述信号上升沿： * 径迹残差法对各丝层、单丝修正径迹残差法对各丝层、单丝修正T0T0，反复，反复 叠带，逐渐逼近叠带，逐渐逼近得出时间游动得出时间游动：实际情况中只能测量信号的电荷量实际情况中只能测量信号的电荷量Q，只能假，只能假设设 Vt Q ，使用如下函数来修正时间，使用如下函数来修正时间游动：游动： 单丝位置刻度单丝位置刻度: : 残差分布方法残差分布方法 MDC 几何位置校准几何位置校准 漂移室端面板校准参数漂移室端面板校准参数 MDC 时间测量时间测量主要性能现状主要性能现状 动量分辨动量分辨:11.4 :11.4 M
14、eV/cMeV/c 空间分辨空间分辨: 134 : 134 m m 正负电贺对称性正负电贺对称性5MeV/c5MeV/c 径迹空间分布正常径迹空间分布正常 径迹质量稳定性好径迹质量稳定性好sP = 11.4MeV/cfrom J/psi Bhabhafrom J/psi Bhabhafrom J/psi Bhabhae+/e- momentum vs run Spatial resolution vs run (Bhabha)P vs phi四四 dE/dx 粒子鉴别 dE/dxdE/dx 粒子鉴别原理和方法粒子鉴别原理和方法 dE/dxdE/dx 刻度刻度修正修正dE/dx值的不一致性值的不
15、一致性: 带电粒子的电离特性带电粒子的电离特性;信号丝气体放大的不均匀性信号丝气体放大的不均匀性; MDC磁场的磁场的不不 均匀性均匀性;取数过程环境温度、压强等条件的变化等取数过程环境温度、压强等条件的变化等 dE/dx 刻度项目刻度项目 单丝级别刻度（只用电子样本刻度）单丝级别刻度（只用电子样本刻度）* * 径迹长度修正径迹长度修正* run by run * run by run 修正外界环境修正外界环境影响，影响，如气压、温度等如气压、温度等* * 单丝增益：单丝增益：修正修正单元电场非均性、电子学增益差异单元电场非均性、电子学增益差异* * 漂移距离和入射角联合修正漂移距离和入射角联
16、合修正 径迹级别刻度径迹级别刻度 ( (用各种粒子样本做刻度用各种粒子样本做刻度):):* * 空间电荷效应的修正空间电荷效应的修正* * dE/dxdE/dx 能损曲线刻度能损曲线刻度* * dE/dxdE/dx 的刻度的刻度 拟合函数拟合函数dE/dx=f()*g(sin)*h(Nhit)*I 使用使用bhabha数据样本得到拟合函数数据样本得到拟合函数: g, h 和和i : 利用强子样本得到利用强子样本得到 ( 与与dE/dx能损曲线相似能损曲线相似) ：f K P MDC dE/dx测量测量主要性能现状主要性能现状dE/dx6%(for ) 3 / 分离分离760MeV/c总结总结
17、在在3 3年左右时间我们完成了年左右时间我们完成了MDCMDC数据处理程序的（事例数据处理程序的（事例起始时间计算，径迹寻找，径迹拟合，离线刻度，起始时间计算，径迹寻找，径迹拟合，离线刻度，dE/dxdE/dx粒子鉴别）五个系统的设计、编程和调试）五个系统的设计、编程和调试. . 经过经过BESIII BESIII 实验数据的调试和运行，证明了五个实验数据的调试和运行，证明了五个系统设计达到了实际指标，系统设计达到了实际指标，基本满足物理分析的要求。基本满足物理分析的要求。 更加精细的调整和参数的优化工作还将继续进行更加精细的调整和参数的优化工作还将继续进行谢谢各位BESIII 探测器探测器M
18、DC MDC 时间测量数值时间测量数值TDCTDC不是不是漂移时间漂移时间通过TDC测量到的原始时间并不等同于漂移时间，其中包含：TES: 事例起始时间 (EsTimeAlg)Tflight：粒子的飞行时间（重建中计算并修正）Tdrift：漂移时间漂移时间Tprop：信号在丝上的传播时间（重建中计算并修正）Twalk：信号幅度差异引起的时间游动 时幅关系刻度Telec：信号在电子学通道上的传输时间 T0刻度TTDCTflightTdriftTpropTwalkTelecTESBESIIIBESIII数据处理流程数据处理流程在线事例选择在线事例选择 MC Data generatorsimula
19、tion离线刻度离线刻度calibration原始数据原始数据重建数据重建数据(DST)数据分类数据分类 事例重建事例重建reconstruction物物理理分分析析 重建数据重建数据(Rec)北京谱仪北京谱仪数数据据获获取取 数数据据处处理理 mc数数据据产产生生 BESIII事例重建过程顺序事例重建过程顺序HepEvtMcTruthG4EventHitsDigitsRawDataCnvSvcBES IIIRawDataGeneratorEventConvertersSimulationDigitizationReconstructionAlgorithmsCalibrationAlgori
20、thmsRecHitsRecTracksAnalysisToolsDstTracksHistogramsNtuplesRootDstCnvSvcDstDataRec2DstAlgEvent Data FlowMC 数据数据实验数据实验数据物理分析物理分析Calibration FrameworkFramework is based on GLAST s schemeThe calibration constants for each sub-detector are produced by the associated calibration algorithm The framework p
21、rovides reconstruction algorithms a standard way to obtain the calibration data objects MDC Tracking Module(1) R- Tracking & S-Z finding3) S-Z calculation in Z finding2) Segment Finding (TSF)1) Conformal transformation1）Segment finding: Search segments in each super-layer using a pattern look-up tab
22、le2）Track link (S-Z finding) add stereo segments4 43 32 21 10 07 76 65 51010100101234567Wires No. 0-7 b) Fill real hit pattern table and matching Set one word for a group of 8 wire, each bit for a wire. Set “1” for a hit wire, others “0” MDC Tracking Module(2): R- Tracking & S-Z findinga) Create Hit
23、 pattern by MC: * 4 hit pattern * 3 hit pattern c) Link segments to 2D tracksR - 平面平面径迹园径迹园拟合拟合(非迭代拟合非迭代拟合), S-Z平面直线拟合直线拟合(非迭代拟合非迭代拟合)空间螺旋线拟合空间螺旋线拟合(迭代拟合迭代拟合)dE/dxdE/dxdE/dxdE/dx 能损曲线刻度能损曲线刻度能损曲线刻度能损曲线刻度数据样本数据样本: :1.electron: bhabha:1.8-1.95GeV radee:0.5-1.8GeV2.muon:dimu:1.8-1.94GeVcosmic:0.6-10GeV3.pion:gama4pi:0.5-1.7GeV4:kaon:gama4k:0.5-1.0GeV5.pronton:0.3-0.9Ge
