BESⅢ离线软件与D物理的研究

论文摘要

北京正负电子对撞机（BEPC）及其大型通用探测器北京谱仪（BES）在2004-2008年间进行了第二次升级改造,并已于2008年中开始运行和实验取数。新升级后的BEPCⅡ是一个高亮度、多束团的双环对撞机,将继续工作在τ-粲能区,其设计峰值亮度比BEPC提高两个数量级,达到1033cm-2s-1;BESⅢ探测器基于物理要求,采用了He基气体小单元漂移室、CsI晶体量能器、塑料闪烁体飞行时间计数器、RPCμ子探测器以及基于流水线技术的前端电子学等系统构成,其探测性能相较BESⅡ有了很大提高。基于BEPCⅡ/BESⅢ上将产生的大统计量和高精确度的数据样本,预期能够在弱电相互作用和强相互作用研究、新物理的寻找等问题上取得重要结果。为配合BEPCⅡ的高亮度,BESⅢ的在线数据获取系统和离线数据分析系统都采用了全新的技术设计和实现,如面向对象的C++程序开发语言、高能物理通用软件框架Gaudi等技术的使用,在软件重用、模块化的设计和开发以及代码维护等多方面为我们带来了便利。另外,与D（s）介子相关的D物理研究是BESⅢ数据分析工作的重要组成部分。在现阶段,对D物理分析使用的软件工具的开发,将为未来D物理工作的正常开展提供基础。当BEPCⅡ在设计峰值亮度运行时,BESⅢ中事例率将高达107 Hz。为了压低数据中各种来源的本底事例以减轻数据存储系统的压力,有必要在取数的同时对事例进行筛选;此外在计算资源允许的情况下,还可以对我们感兴趣的物理事例分类和标记。为此,我们在第一级硬件快速触发系统的基础上,实现了第二级事例筛选软件系统。事例筛选软件框架在设计时充分考虑了软件模块与运行环境的分离问题,将与在线环境耦合部分以接口的形式提供,而其流程控制功能核心组件则实现为和环境无关的独立模块。这样,流程控制组件不仅能做为在线事例筛选软件的一部分运行于在线环境,还能直接运行于离线软件框架中,提高了软件的重用性,也方便了事例筛选算法在离线环境中的开发。我们还为流程控制组件实现了强大的逻辑控制能力,使其能使用各种筛选算法和条件的灵活组合;同时使用XML格式的配置文件,以简析的规则实现对流程控制的完全配置。事例筛选软件已经运行于BESⅢ实时在线取数环境中,运行稳定且结果基本可靠。在将来,事例筛选算法和筛选条件还需要根据实验数据的实际情况不断调试和完善,以进一步提高其性能和可靠性。在线数据获取系统完成取数后,将原始数据存人磁盘或磁带供离线数据处理任务使用。原始数据是以特定格式压缩编码的探测器电子学读出信息,以二进制数据流形式保存。为了方便离线软件对原始数据的访问,我们开发了基于Gaudi的原始数据转换服务,它为用户隐藏了格式相关的复杂细节,而是提供了一致的数据访问接口。它主要用于完成数据的解码,将电子学压缩信息还原为探测器中的时间和电荷信号;另外也具有数据输出功能,能够把模拟数据存储为原始数据格式。为能在一些在线软件中重用原始数据转换服务的功能,我们为其提供了在线和离线两种编译模式,其中的在线模式运行时从网络获取事例数据,然后完成格式解析过程。为缓解数据服务器的磁盘I/O和网络瓶颈问题,还对转换服务进行了优化,包括添加文件缓存和使用第三方库对文件进一步压缩等,起到了积极效果。开发了原始数据过滤服务对原始数据进行预处理,离线任务可根据需要,排除数据中部分不满足规范的击中信息。BESⅢ探测器自开始取数以来,已积累了超过2 TB的原始数据,在这些数据的处理过程中,原始数据转换服务运行稳定、结果可靠,符合BESⅢ实验的需求。BEPCⅡ在设计亮度运行时,每年将能产生约3×107 D（?）介子对,数据的有效利用需要对D介子的高效重建。我们将使用到大量的D介子强衰变过程,以在保证重建质量的前提下提高重建效率。为能简化重建程序的开发、维护和使用,参考CLEO-c D-tagging软件思想,结合BOSS框架的结构和特点,设计了BESⅢ的D-tagging软件框架。使用D-tagging成功重建的D介子称为D标记,通常的D物理研究都应从D标记开始。D-tagging框架分为粒子列表、组合器和D标记的存储访问三个功能模块,其中的粒子列表和组合器在BesDChain软件包中集成实现。BesDChain是D-tagging软件的重要组成部分,然而,它事实上独立于D介子的标记,可以做为一个通用的软件工具用于任意衰变过程的重建。BesDChain能大大简化事例重建代码的编写、特别是复杂衰变过程。BesDChain在实现时大量使用了C++语言的模板技术,在很大程度上避免了功能相似代码的重复开发;另外还在很多场合使用了懒惰计算法（lazyevaluation）,避免了计算资源的浪费。目前,BesDChain的所有预期基本功能均已实现,且能够和BOSS现有软件系统很好的融合,D标记存储访问的研究也正在进行中。以BesDChain为基础,D标记算法的开发即将在后续工作中展开。D介子衰变到两个矢量介子时,对其两个子粒子角分布的测量能为CP破坏的研究提供信息。为了从D+→（?）*（892）0ρ+（+c.c.）衰变中提取分支比以及D介子的纵向极化比率fL,开发了多变量拟合软件工具包D2vvTools。为了区分信号和本底,使用了ΔE、mbc、mK*和mρ四个参量;D+在纵向和横向极化时,其子粒子K*和ρ+的衰变角θ1和θ2有不同的分布,θ1和θ2被用于fL的测量。这样,D2vvTools总共使用了6个变量做为拟合参数。对每个参数的概率密度函数（PDF）都使用MC数据进行参数化和确定。为能精确描述数据的分布情况,我们不但把数据划分为信号和本底,还将信号进一步细化为真实信号和Self Cross Feed（SCF）组分。假定参与拟合的6个变量相互没有关联,它们的联合PDF将能通过各单变量PDF的乘积得到。我们把80%纵向极化和20%横向极化的模拟信号混合,测试了D2vvTools对极化比率的分辨能力,得到fL=（80.4±0.5）%。目前对本底只做了初步检查,将来还需要更多深入研究,以对本底进行细致的分类和理解。本文最后还回顾了不同实验对衰变常数fDs+的最新测量结果,发现其实验值相对格点QCD（LQCD）理论预言值有约4σ水平的偏差。同时,Rμ三BR（Ds+→μ+vμ）/BR（D+→μ+vμ）也比标准模型的预言偏大2σ水平。2HDM理论的预言与这些实验结果不相一致,而Rμ实验与理论值的偏差暗示了新物理的可能存在。我们讨论了未来在BESⅢ上对Rμ进行精确测量的可行性。使用ψ（3770）数据中完整标记的D+以及质心能量在4.170 GeV处数据中完整标记的Ds+,经过约四年的数据积累,BESⅢ将能把Rμ的精确度控制在1%水平。通过比较精确测量的Rμ实验值及其理论（特别是LQCD）预言值,将为新物理的发现带来机会。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号和缩略词
• 第一章 引言
• 1.1 粒子物理学
• 1.2 粒子物理实验
• 1.3 粒子物理实验数据处理
• 1.4 选题背景及论文内容
• 第二章 北京正负电子对撞机Ⅱ和北京谱仪Ⅲ
• 2.1 北京正负电子对撞机-BEPCⅡ
• 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
• 2.3.6 μ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离线刻度系统
• 2.4.6 BES Ⅲ物理分析、事例显示软件及其它
• 第三章 BES Ⅲ事例筛选软件框架
• 3.1 系统需求
• 3.2 在线运行环境
• 3.3 框架设计
• 3.4 事例筛选流程控制
• 3.4.1 流程控制的功能要求
• 3.4.2 流程控制的实现
• 3.4.3 流程控制的配置
• 3.5 事例筛选算法及其性能
• 3.6 本章小结
• 第四章 BES Ⅲ原始数据的访问
• 4.1 Gaudi中的宿存服务
• 4.2 原始数据格式和离线数据模型
• 4.2.1 原始数据格式
• 4.2.2 离线数据模型
• 4.3 原始数据转换服务
• 4.3.1 原始数据输入
• 4.3.2 原始数据输出
• 4.3.3 在线重用
• 4.4 转换服务的优化与扩展
• 4.4.1 zlib和文件缓冲区
• 4.4.2 模拟数据的存储
• 4.5 原始数据的过滤
• 4.6 本章小结
• 第五章 D-tagging软件框架
• 5.1 D-tagging简介
• 5.2 D-tagging软件框架
• 5.3 通用软件工具BesDChain
• 5.3.1 粒子的定义
• 5.3.2 粒子列表
• 5.3.3 粒子选择器
• 5.3.4 组合器
• 5.3.5 BesDChain功能与特点总结
• 5.4 当前进度与计划
• 第六章 D→VV与多变量拟合软件工具
• 6.1 物理背景
• 6.2 事例选择
• 6.2.1 末态径迹的选择
• 6.2.2 D介子的重建
• 6.2.3 D介子的确定
• 6.3 衰变角
• 6.3.1 衰变角分布
• 6.3.2 Self cross feed组分
• 6.4 多变量拟合原理
• 6.4.1 多变量PDF的构造
• 6.4.2 参数化
• 6.5 本底的初步研究
• 6.6 拟合工具包的实现及进展
• 6.7 小结与展望
• s⁺（D⁺）→μ⁺ν纯轻衰变过程中可能发现的新物'>第七章 D_s⁺（D⁺）→μ⁺ν纯轻衰变过程中可能发现的新物
• 7.1 2HDM理论背景简介
• 7.2 现有结果回顾以及对BES Ⅲ的展望
• 7.3 BES Ⅲ上衰变常数的测量
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表论文
• 附件
• 学位论文评阅及答辩情况表