BESIII实验的顶点及共振态粒子重建研究

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)改造工程BEPCⅡ/BESⅢ已经成功联调运行,并于2008年获取首批对撞数据。事例顶点重建是BESⅢ数据分析系统的重要组成部分,是物理分析的前提条件。BESⅢ的整体设计中未包含顶点探测器,粒子在探测器上的最内层击中信息位于主漂移室内,共振态粒子的衰变顶点大部分不能被直接探测。事例顶点重建过程中需要解决的主要问题是,如何利用共振态粒子衰变顶点的条件优化末态粒子径迹参数,如何高精度地重建共振态粒子的质量和寿命,如何有效去除前期径迹重建过程中产生的伪径迹,获得高精度的事例初级顶点。高效和精确的顶点重建能够提高径迹的质量分辨,有效地压低本底事例,以便观察信号事例特征。高精度的事例初级顶点重建能够准确地定位对撞束团的中心位置和分辨。本论文针对上述问题,围绕BESⅢ上的顶点和共振态粒子重建展开以下研究工作:(1)相对长寿命共振态粒子K_s~0,∧/(?)和Ξ重建研究共振态粒子K_s~0和∧/(?)是BESⅢ上大量产生的次级衰变粒子,它们的重建关键是衰变顶点的重建和粒子在衰变之前飞行过程中的运动学拟合。本论文详细讨论了全局顶点拟合方法的原理,研究了顶点限定性条件、粒子在飞行过程中满足的运动学限定性条件,以及共振态粒子参数的估算方程;描述了共振态粒子重建软件的设计和实现。利用蒙特卡罗数据进行重建,给出共振态粒子重建的质量,并通过对衰变长度的研究给出重建K_s~0,人的本底压制条件。详细分析了共振态粒子K_s~0寿命测量过程中探测器分辨、探测效率函数,设计开发了不借助模拟信息而直接运用数据估算探测效率的算法。蒙特卡罗数据研究表明拟合的寿命结果在误差范围内是合理的,从而为真实数据的共振态粒子寿命测量构建了基础框架。还讨论了级联衰变粒子Ξ的重建,通过对多次衰变粒子的重建研究,进一步验证了算法设计的合理性与可行性。(2)基于Kalman滤波方法的顶点重建算法及顶点寻找算法研究基于Kalman滤波方法,在BESⅢ离线软件框架BOSS下开发了顶点拟合算法。事例初级顶点重建的精确度直接影响对撞束团的离线重建位置和分辨,并影响产生自初级顶点的次级粒子重建。提出基于Kalman滤波方法的BESⅢ顶点拟合算法,通过对径迹的过滤、预测和平滑三个步骤,有效去除主漂移室径迹重建过程中的伪径迹信息,直接改善事例初级顶点拟合结果。详细讨论了Kalman顶点拟合软件设计与实现,描述了算法在BESⅢ上的具体运用,并结合蒙特卡罗样本优化了算法中相关的参数。提出了BESⅢ上的几何顶点寻找算法,其目的是将事例的末态粒子径迹进行归类。详细阐述了该算法的原理并描述了相应的软件设计和实现,蒙特卡罗数据研究表明经过顶点寻找之后的顶点拟合,其顶点分辨有明显改善。(3)BESⅢ实验数据的事例初级顶点和次级顶点重建及数据分析BESⅢ实验数据分析是对本论文中顶点重建算法,包括顶点寻找、全局顶点拟合以及基于Kalman滤波的顶点拟合算法的可靠检验。详细描述了针对BESⅢ取数初期,顶点重建的具体方案,通过实验数据中事例初级顶点重建分析了束团对撞中心位置的偏移结果,并根据实际情况改进了物理分析中径迹选择的条件。同时给出了实验数据中共振态粒子K_s~0,人和Ξ的初步重建结果。此外,为了满足BESⅢ数据质量监测系统(DQM)对事例顶点重建运行时间性能的要求,讨论了快速顶点拟合算法,设计并实现了相应的软件包。蒙特卡罗样本测试的结果表明该算法完全可以满足DQM对顶点重建的要求。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 插图目录
• 表格目录
• 第一章引言
• 1.1 概述
• 1.2 粒子物理学理论与实验
• 1.2.1 粒子基本类别与相互作用
• 1.2.2 标准模型理论
• 1.2.3 粒子物理实验
• 1.2.3.1 实验类别:对撞与固定靶
• 1.2.3.2 实验基本装置
• 1.2.3.3 实验数据处理和分析
• 1.3 粒子物理实验离线分析软件
• 1.3.1 软件发展历程
• 1.4 选题背景与论文结构
• 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 物理目标
• 2.2.1 弱电相互作用研究
• 2.2.2 强相互作用研究
• 2.2.3 新物理的寻找
• 2.3 北京谱仪BESⅢ
• 2.3.1 束流管
• 2.3.2 主漂移室
• 2.3.2.1 工作原理与性能要求
• 2.3.2.2 单元结构
• 2.3.2.3 丝层安排
• 2.3.2.4 工作气体
• 2.3.2.5 预期性能
• 2.3.3 飞行时间计数器
• 2.3.4 电磁量能器
• 2.3.5 μ子鉴别器
• 2.3.6 超导磁体
• 2.3.7 电子学系统
• 2.3.8 触发判选系统
• 2.3.9 在线数据获取系统
• 2.3.10 离线计算机系统
• 2.3.10.1 数据产生额
• 2.3.10.2 CPU的要求
• 2.3.10.3 数据传输对网络速度和I/O速度的要求
• 2.3.10.4 计算环境的系统设计方案
• 2.4 BESⅢ离线软件系统
• 2.4.1 BESⅢ离线软件框架
• 2.4.2 BESⅢ模拟与重建软件
• 2.4.2.1 产生子与探测器模拟
• 2.4.2.2 MDC寻迹算法（1）-MdcTsfRec
• 2.4.2.3 MDC寻迹算法（2）-MdcPatRec
• 2.4.2.4 基于Kalman滤波的径迹拟合
• 2.4.3 BESⅢ物理分析软件
• 2.5 本章小结
• 第三章 相对长寿命共振态粒子重建
• 3.1 简介
• 3.1.1 BESⅢ相对长寿命共振态粒子重建意义与重要性
• 3.1.2 顶点重建算法目标
• 3.2 径迹模型与参数
• 3.2.1 BESⅢ径迹重建中参数表示
• 3.2.2 顶点拟合中径迹参数转换
• 3.3 顶点拟合算法
• 3.3.1 全局拟合法
• 3.3.1.1 最小二乘法简介
• 3.3.1.2 顶点拟合基本算法及求解
• 3.3.2 顶点的限定性条件
• 3.3.2.1 一般形式
• 3.3.2.2 未知顶点初始信息
• 3.3.2.3 已知顶点初始信息
• 3.3.3 衰变粒子的运动学限定性条件
• 3.3.4 共振态粒子径迹参数估计
• 3.4 软件设计
• 3.4.1 算法中的类及其相互关系
• 3.4.2 顶点拟合基本流程
• 3.4.3 算法在物理分析中的运用
• 3.4.4 算法优化及运行时间性能分析
• 3.5 BESⅢ上共振态粒子重建
• 3.5.1 事例重建流程
• S⁰重建与选择条件'>3.5.2 K_S⁰重建与选择条件
• -/（?）→（?）π⁺'>3.5.3 Λ→pπ^-/（?）→（?）π⁺
• 3.6 级联衰变共振态粒子Ξ重建
• 3.7 寿命测量
• 3.7.1 探测器的分辨函数
• 3.7.2 探测效率函数
• S⁰寿命测量'>3.7.3 K_S⁰寿命测量
• 3.7.4 系统误差分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 基于Kalman滤波方法的顶点重建
• 4.1 基本原理
• 4.1.1 Kalman滤波方法简介
• 4.1.2 利用Kalman滤波方法进行顶点拟合
• 4.2 顶点寻找算法研究
• 4.2.1 顶点寻找目的和基本方法
• 4.2.2 三维空间顶点寻找
• 4.2.3 X-Y平面顶点寻找
• 4.3 BESⅢ基于Kalman滤波方法的顶点拟合算法
• 4.3.1 径迹参数转换
• 4.3.2 参数符号的约定
• 4.3.3 顶点拟合中的测量方程
• 4.3.4 顶点拟合中的虚拟测量
• 4.4 软件设计与开发
• 4.4.1 简介
• 4.4.2 算法中的类及其相互关系
• 4.4.3 算法的基本流程
• 4.4.4 顶点数据库的结构
• 4.4.5 顶点信息存储软件的设计
• 4.5 算法中参数的调节与蒙特卡罗数据结果
• 4.5.1 顶点寻找的蒙特卡罗检验
• 4.5.2 Kalman顶点拟合主要参数调试分析
• 4.5.3 拟合优度
• 4.5.4 磁场不均匀性对顶点拟合结果影响分析
• 4.5.5 两种顶点拟合算法结果比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 BESⅢ实验数据分析
• 5.1 BESⅢ初级数据的处理
• 5.1.1 取数条件与离线软件状态
• 5.1.2 数据分析流程
• 5.1.3 初步结果分析
• 5.2 BESⅢ离线软件升级状态
• 5.3 BESⅢ数据顶点寻找性能分析
• 5.4 BESⅢ数据分析结果
• 5.4.1 事例初级顶点重建样本的选取
• 5.4.2 对撞束团分辨的结果分析
• 5.4.3 对撞束团位置对物理分析的影响
• S⁰,Λ,Ξ初步重建结果'>5.4.4 相对长寿命共振态粒子K_S⁰,Λ,Ξ初步重建结果
• 5.5 离线软件改进方向
• 5.6 快速顶点拟合
• 5.6.1 简介
• 5.6.2 算法介绍
• 5.6.3 软件设计
• 5.6.4 蒙特卡罗数据性能分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 本文主要工作
• 6.2 进一步工作
• 附录A 最小二乘拟合方法
• 附录B 双高斯的加权分辨
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所发表和录用的学术论文