BESIII飞行时间计数器的束流实验模拟及离线软件发展研究

论文摘要

北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCⅡ）正在进行，改造后的北京正负电子对撞机亮度将提高100倍，其探测器（BESⅢ）性能也有很大提高。飞行时间计数器是BESⅢ一个子探测器，它的功能是测量带电粒子的飞行时间，进行粒子鉴别。本论文的主要内容是关于BESⅢ飞行时间计数器的束流实验及其蒙特卡罗模拟研究，以及BESⅢ飞行时间计数器离线重建软件和刻度软件的开发和研究。 BESⅢ飞行时间计数器模型的束流实验是在北京正负电子对撞机试验束提供的800Mev电子束流上进行的。实验研究了TOF的主要性能，结果证明了BESⅢ飞行时间计数器所选的各种材料和条件的性能可以达到预期指标。闪烁体在厚度为5cm时具有较好的时间分辨。不同反射率包装材料的实验结果是：反射率低的铝膜包装的时间分辨要比反射率高的ESR包装的时间分辨好。利用Geant4，我们进行了BESⅢ飞行时间计数器模型束流实验的蒙特卡罗模拟研究。不同厚度闪烁体以及不同反射率包装材料下的模拟结果和实验结果一致。利用蒙特卡罗模拟结果，主要从不同情况下的光电倍增管脉冲的幅度以及上升时间的比较，对束流实验结果进行了解释。 在BESⅢ离线数据处理框架下，利用面向对象的C++程序设计语言，开发了BESⅢ飞行时间计数器离线处理重建系统和离线刻度系统。结合主漂移室的重建软件以及径迹外推软件，利用蒙特卡罗数据，对BESⅢ飞行时间计数器离线重建软件进行了测试，给出了一些初步的测试结果。TOF重建软件能够很好地工作，重建结果已经被物理分析软件使用。TOF刻度软件的初步版本已经完成，对分辨率，刻度方法进行了研究。利用蒙特卡罗产生的巴巴事例，对TOF离线刻度软件进行了测试，并将这些刻度常数用到TOF重建软件中，经过物理分析，证明TOF事例重建系统和刻度系统对于理想的蒙特卡罗数据工作基本正常。 在BESⅢ离线数据处理软件（BOSS）发布BOSS5.0.0版本后，利用蒙特卡罗数据对一些初步的物理结果进行了检查。主要包括强子的重建效率、粒子鉴别效率的检查，D0-（?）0混合和CP破缺的寻找这几个方面。通过这些检查检验了BESⅢ离线数据处理软件的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT（英文摘要）
• 第一章 引言
• 1.1 粒子物理学
• 1.2 粒子物理学的理论基础
• 1.2.1 粒子的分类和相互作用力
• 1.2.1.1 夸克,轻子和传播子
• 1.2.1.2 相互作用力
• 1.2.2 标准模型
• 1.3 粒子物理实验
• 1.3.1 加速器和对撞机
• 1.3.2 探测器和谱仪
• 1.4 粒子物理实验数据处理软件的发展
• 1.4.1 面向对象的软件开发技术
• 1.4.2 C++程序设计语言
• 1.5 选题背景和论文内容
• 第二章 BESⅢ探测器
• 2.1 引言
• 2.2 物理目标
• 2.2.1 弱电相互作用研究
• 2.2.1.1 CKM矩阵元的精确测量
• 2.2.1.2 轻子普适性的精确检验
• 2.2.2 强相互作用研究
• 2.2.2.1 QCD基本参数的精确测量
• 2.2.2.2 强子谱的研究
• 2.2.2.3 粲偶素物理
• 2.2.3 新物理的寻找
• 2.2.3.1 J／φ衰变
• s）衰变'>2.2.3.2 D（D_s）衰变
• 2.3 束流管
• 2.4 主漂移室
• 2.5 飞行时间计数器
• 2.6 电磁量能器
• 2.7 μ子鉴别器
• 2.8 超导磁体
• 2.9 电子学系统
• 2.10 触发判选系统
• 2.11 在线数据获取系统
• 2.12 离线计算机系统
• 2.12.1 数据产生额
• 2.12.2 存储与管理数据
• 2.12.3 CPU的要求
• 2.12.4 数据传输对网络速度的要求
• 2.12.5 BESⅢ离线数据处理环境初步设想
• 2.12.6 BESⅢ离线数据处理软件系统
• 2.12.7 离线数据处理框架
• 2.12.8 离线数据刻度软件和事例重建软件的更新和开发
• 2.12.9 数据的产生和探测器模拟软件的更新和开发
• 2.12.10 公用软件包、专用软件库和工具库
• 第三章 飞行时间计数器模型的束流试验和蒙特卡罗模拟研究
• 3.1 BESⅢ飞行时间计数器
• 3.1.1 TOF时间分辨率分析
• 3.1.2 粒子鉴别能力
• 3.1.3 BESⅡ和Belle的经验
• 3.1.4 BESⅢ TOF探测器设计方案
• 3.1.4.1 塑料闪烁体的选择
• 3.1.4.2 光电倍增管R5924
• 3.1.4.3 几何结构与安装
• 3.2 飞行时间计数器模型的束流实验
• 3.2.1 实验平台
• 3.2.2 飞行时间计数器模型束流测试装置
• 3.2.3 飞行时间计数器模型束流测试结果
• 3.2.3.1 衰减长度
• 3.2.3.2 有效传输速度和本征时间分辨
• 3.2.3.3 不同包装材料的实验结果
• 3.3 飞行时间计数器模型束流试验的蒙特卡罗模拟研究
• 3.3.1 蒙特卡罗模拟方法和Geant4
• 3.3.2 模拟过程
• 3.3.2.1 探测器构造
• 3.3.2.2 荧光产生过程
• 3.3.2.3 光传输过程
• 3.3.2.4 光电倍增管响应
• 3.3.3 模拟结果
• 3.3.3.1 不同厚度BC408闪烁体的模拟
• 3.3.3.2 不同反射率包装材料的模拟
• 3.3.3.3 不同入射粒子和不同动量的模拟
• 3.4 小结
• 第四章 BESⅢ飞行时间计数器重建和刻度软件的开发和研究
• 4.1 BESⅢ飞行时间计数器重建软件的开发和研究
• 4.1.1 飞行时间计数器重建原理
• 4.1.2 飞行时间计数器重建算法设计
• 4.1.3 飞行时间计数器重建软件类的设计
• 4.1.3.1 类和对象
• 4.1.3.2 TOF重建类和类的设计
• 4.1.3.3 TofSys类
• 4.1.3.4 BTofSys类和ETofSys类
• 4.1.3.5 BTofMod类和ETofMod类
• 4.1.3.6 BTofCnt类和ETofCnt类
• 4.1.3.7 BTofScint类和ETofScint类
• 4.1.3.8 BTofPmt类和ETofPmt类
• 4.1.3.9 TofHits类
• 4.1.3.10 TofTrk类和TofTrkCol类
• 4.1.4 TOF几何service和TOF刻度service
• 4.1.4.1 TOF几何service
• 4.1.4.2 TOF刻度service
• 4.1.5 径迹匹配各种情况
• 4.1.6 TOF重建软件结果检查
• 4.1.6.1 cpu时间
• 4.1.6.2 TOF重建效率
• 4.1.6.3 粒子鉴别情况
• 4.2 BESⅢ飞行时间计数器刻度软件的开发和研究
• 4.2.1 飞行时间计数器刻度软件设计
• 4.2.2 飞行时间计数器刻度的实现
• 4.2.2.1 时间刻度
• 4.2.2.2 有效传输速度刻度
• 4.2.2.3 衰减长度刻度
• 4.3 一些初步的物理结果检查
• 4.3.1 强子重建效率
• +π^-'>4.3.1.1 J／φ→p（p|-）π⁺π^-
• *K'>4.3.1.2 J／φ→K^*K
• 4.3.1.3 φ′→ππJ／φ
• 4.3.2 带电粒子鉴别
• 0-（?）⁰混合和CP破缺的寻找'>4.3.3 BESⅢ上D⁰-（?）⁰混合和CP破缺的寻找
• 4.3.3.1 引言
• 4.3.3.2 BESⅢ探测器模拟和样本
• 4.3.3.3 事例挑选
• 4.3.3.4 结果和讨论
• 4.4 小结
• 第五章 总结和展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果及发表的论文
• 致谢