羊八井 ARGO 实验簇射芯位的重建

羊八井 ARGO 实验簇射芯位的重建

刘 传 磊物理与微电子学院

羊八井 ARGO 实验簇射芯位的重建

羊八井 ARGO 实验

离线数据分析软件介绍

不同的芯位重建方法

对芯位重建方法的检验

结论及展望

Contents

第一部分

羊八井 ARGO 实验

羊八井 ARGO 实验

ARGO 物理目的 γ 天文

弥散 γ 观测

γ 暴物理

反质子丰度测定

宇宙线质子谱

大气簇射结构的详细研究

太阳和日地物理

羊八井 ARGO 实验111.01m

98.84m

77.87m

76.36m

羊八井 ARGO 实验

羊八井 ARGO 实验

1.25m

2.8m

事例率高、数据量大 实验数据的处

理和存储 medea++

羊八井 ARGO 实验

第二部分

离线数据分析软件介绍

离线数据分析软件介绍

分析软件的整体结构

探测器阵列的几何描述

事例信息的描述和重建

事例的存储

物理分析工具

离线数据分析软件介绍

探测器阵列的几何描述 采用了“复合 - 部件”的模式（ Composite-component ）：

ArgoComp 类来描述一个部件标识号码，在阵列中的位置，在一个复合部件中的位置等信息。

模板类 ArgocompT 用于描述一个复合部件和复合部件的子部件的几何信息。

离线数据分析软件介绍

事例信息的描述和重建

离线数据分析软件介绍

重建过程事例信息流程

EvDAQ RecLevel0 EvRaw RecLevel1 EvRec1 RecLevel2 EvRec2

离线数据分析软件介绍

事例信息的存储

物理分析工具

第三部分

不同的芯位重建方法

Centre TreeMtreeDtreeWavelets

不同的芯位重建方法

不同的芯位重建方法• N= 给定事例的 PAD 击中数• 对于某一击中 PAD i (i=1,…,N):

xi , yi ≡PAD 的中心坐标 ti ≡ 粒子到达时间 ri

(2) ≡(xi , yi) ri

(3) ≡(xi, yi, zi) （ with zi=ti·clight ） ni ≡ 击中 Strip 数

不同的芯位重建方法

1 、重心法

N

i i

N

i ii

n

nr

1

1

)2(

rc =

芯位： 击中 PAD 位置的加权平均

不同的芯位重建方法

在 MTree 、 Tree 和 DTree 三种方法

中，都会用到 Tree 长度这一概念。

一个二维 r-tree 示例

r-tree 长度定义如下：

N

i ii nrrd1),(

不同的芯位重建方法

l(r) =

不同的芯位重建方法

2 、 Mtree 方法

芯位： N 个 Tree 长度中最小那个 所对应的参照 PAD 的中心位置

不同的芯位重建方法

3r2r

1r l(r1)=3x2+5x5=31l(r1)=3x2+5x5=31

33

44

55

n1=1n1=1

n2=2n2=2

n3=5n3=5

l(r2)=3x1+4x5=23l(r2)=3x1+4x5=23

l(r3)=5x1+4x2=13l(r3)=5x1+4x2=13

3 、 Tree 方法

N

i ii

N

i iii

lw

lwr

1

1

)2(

)(

)(rc=

wherewhere )( ii rll

i

i

l

nwi=

不同的芯位重建方法

N

i i

N

i ii

n

nr

1

1

)2(

rc=

芯位： 考虑到 Tree 长度时击中 PAD 位置的加权平均

不同的芯位重建方法

4 、 Dtree 方法

rc=

N

i ii

N

i iii

lw

lwr

1

1

)2(

)(

)(

wherewhere )( ii rll

wi= (1-M

ii

p

ln ))

NiiiM rlnp ,,2,1)}(max{

芯位： 考虑到 Tree 长度时击中 PAD 位置的加权平均

不同的芯位重建方法

5 、平滑算法 ----- 小波法

Fourier Fourier 变换变换 ::

F(s)=F(s)=

f(x)=f(x)=

dxexf xsj 2)(

dsesF xsj 2)(

小波变换小波变换 ::

Given a function , if it can meet the requirements as Given a function , if it can meet the requirements as followingfollowing ，， we call it mother wavelet.we call it mother wavelet.

（（ xx））

ds

s

s2

)(C = <

if if （（ 00 ） ） = 0 = 0= 0 = 0

dxx)(

不同的芯位重建方法

……….(a)

……….(b)

｛ a,b(x) ｝

a,b(x) = ( )a

1a

bx

系数 a (scale) 表明小波函数的平滑程度

系数 b 表明小波函数的位置 .

--Wavelet algorithm

对母小波 作伸缩、平移，得到一小波序列

--Wavelet algorithm

A standard choice for the A standard choice for the mother waveletmother wavelet is the so ca is the so called lled mexican hat functionmexican hat function

2/2 2

)()( tetDtg

WhereWhere D means D-dimensional areaD means D-dimensional area

--Wavelet algorithm

)(0,1 tg )(2,2 tg

)(2,4 tg )(4,2 tg

--Wavelet algorithm

小波变换小波变换

rdrgrr ra3

,0

~

)()()(0

r = (x1, x2, …, xD)r = (x1, x2, …, xD) D

)/()( 0, 0arrgrg iira

N

i irai rgnrf1 ,0 )()(

0

r 分离的、有限的

计算出中心地毯区的每个 pad 当作 r0 时的 f(r 。 ) Max(f(r0)) 簇射的芯位

把 6×5 个 pad 作为一组，用每一组 pad 中最左下角的 pad 作为 r0 来计算。找出最大的 pad 组后，再在这一组中寻找 的最大值，则对应最大值的 pad 的中心为簇射的芯位。

--Wavelet algorithm

芯位（假定芯区粒子的密度最高）

第四部分

对芯位重建方法的检验

对芯位重建方法的检验

大气簇射模拟

原初粒子 Gamma/Proton 能量 (TeV) 0.1-10

模拟事例 100000 天顶角 ( 度 ) 7~45

能谱指数 － 1.49 强相互作用模型 QGSJET

方位角（度） 0~360 强子能量 cutoff(GeV) 0.3

Muon能量 cutoff(GeV) 0.3 电子能量 cutoff(GeV) 0.015

光子能量 cutoff(GeV) 0.015 观测平面高度（ m ） 4300

对芯位重建方法的检验

ARGO 探测器模拟

对芯位重建方法的检验

模拟后得到了 27713 和 14073 个 事例和质子事例

用 8000 个 事例和 14073 个质子事例来进行检验

对芯位重建方法的检验

事例的能量随击中 PAD 数的变化（ 事例）

对芯位重建方法的检验

事例的能量随击中 PAD 数的变化（质子事例）

对芯位重建方法的检验

各种重建方法所需 CPU时间 ( 事例重建 )

centre 8’00“ Wavelet(a=10m)

28’

Tree 32‘ Wavelet(a=15m)

28’

Mtree 31’04’’ Wavelet(a=20m)

27’42’’

Dtree 31’02’’ Wavelet(a=25m)

28’

Wavelet(a=5m)

28’

对芯位重建方法的检验

各种重建方法所需 CPU时间 ( 质子事例重建 )

centre 12‘ Wavelet(a=10m)

39’53“

Tree 38‘ Wavelet(a=15m)

39’51“

Mtree 40‘ Wavelet(a=20m)

43‘’’

Dtree 40‘ Wavelet(a=25m)

42’

Wavelet(a=5m)

39’40“

事例数随方位角的分布 0~300~30 ~60~60 ~90~90 ~120~120 ~150~150 ~180~180~210~210 ~240~240 ~270~270 ~300~300 ~330~330 ~360~360

CentreCentre 705705 657657 645645 661661 667667 649649646646 659659 648648 675675 671671 706706

TreeTree 708708 653653 650650 656656 670670 646646647647 660660 647647 679679 671671 702702

MtreeMtree 714714 654654 646646 653653 672672 646646648648 657657 645645 683683 668668 703703

DtreeDtree 707707 653653 648648 656656 674674 647647647647 658658 643643 682682 670670 704704

Wavelet(a=10m)Wavelet(a=10m) 718718 653653 649649 644644 675675647647 649649 664664 640640 686686 664664700700

对芯位重建方法的检验

对芯位重建方法的检验

0~300~30 ~60~60 ~90~90 ~120~120 ~150~150 ~180~180 ~210~210~240~240 ~270~270 ~300~300 ~330~330 ~360~360

CentreCentre 12321232 11721172 11111111 12461246 11391139 11571157 1166116611701170 11401140 11861186 11551155 11911191

TreeTree 12251225 11741174 11171117 12421242 11421142 11581158 1161116111711171 11351135 11891189 11561156 11951195

MtreeMtree 12121212 11811181 11101110 12511251 11361136 11611161 1165116511651165 11321132 11871187 11641164 12011201

DtreeDtree 12301230 11771177 11101110 12491249 11391139 11571157 1160116011731173 11411141 11871187 11511151 11911191

Wavelet(a=20m)Wavelet(a=20m) 12171217 11691169 11091109 12551255 11381138 1152115211721172 11631163 11361136 11821182 11711171 12011201

质子事例数随方位角的分布

对芯位重建方法的检验

事例的芯位重建精度随方位角的变化

质子事例的芯位重建精度随方位角的变化

对芯位重建方法的检验

对芯位重建方法的检验

（ a ） 簇射

（ b ） 质子簇射

1 TeV 的 -AS 和 P-AS 的次级粒子在羊八井观测平面处的横向分布

对芯位重建方法的检验

77 ～～ 10 1010 10 ～～ 20 2020 20 ～～ 30 3030 30 ～～ 40 4040 40 ～～ 4545

CentreCentre 450 450 21112111 25742574 22212221 619619

TreeTree 453 453 21192119 25702570 22242224 610610

MtreeMtree 455 455 21102110 25742574 22272227 608608

DtreeDtree 454 454 21102110 25782578 22212221 612612

Wavelet(a=5m ) 455Wavelet(a=5m ) 455 20852085 25892589 22382238 609609

Wavelet(a=10m) 451Wavelet(a=10m) 451 20982098 25842584 22332233 608608

Wavelet(a=15m) 451Wavelet(a=15m) 451 21112111 25732573 22332233 609609

Wavelet(a=20m) 454Wavelet(a=20m) 454 21132113 25762576 22272227 606606

Wavelet(a=25m) 456Wavelet(a=25m) 456 21142114 25732573 22262226 605605

事例数随天顶角的分布

对芯位重建方法的检验

  7 ～ 10

10 ～ 20

20 ～ 30

30 ～ 40

40 ～ 50

>50

Centre 706 3659 4547 3910 1231 12

Tree 701 3661 4561 3902 1228 12

Mtree 695 3668 4558 3894 1236 14

Dtree 704 3662 4549 3908 1230 12

Wavelet(a=10m)

690 

3645 4583 3882 1247 18

质子事例数随天顶角的分布

对芯位重建方法的检验

事例的芯位重建精度随天顶角的变化

对芯位重建方法的检验

质子事例的芯位重建精度随天顶角的变化

对芯位重建方法的检验

gammagamma protonproton

事例的芯位重建精度随击中 PAD 数的变化

对芯位重建方法的检验

gammagammaprotonproton

Scale 不同时小波法的芯位重建情况

第五部分

结论及展望

对于 簇射事例

小波法的重建结果最好，精度最高。其次是Mtree 方法。

对于质子簇射事例

小波法的重建结果不是令人满意，这是由于这种平滑算法不能很好地描述质子簇射的横向分布特征。而其它几种方法的重建效果没有很明显的区别。

结论及展望

结论

考虑到阵列的边缘效应

对于质子簇射事例

更加理想的重建方法

结论及展望

下一步需要做的工作

谢

谢

大

家

感谢张学尧教授的指导！

感谢各位教授的帮助！

感谢同学们的支持！