BESIII MDC 事例重建

2010 年 8 月 17 日

中国科学院高能物理研究所

毛泽普

“ ”中国科学院 核探测技术与核电子学 重点实验室

主要内容

• 径迹寻找• 径迹拟合• 时间刻度• dE/dx 粒子鉴别• 总结

一 径迹寻找

• 43 丝层 (24S +19A)

BESIII MDC 结构

• 6796 信号丝 • XY = 130 m,

• Pt/Pt = 0.5 %(@1 GeV)

• dE/dx 分辨 0.6-0.7%

MDC 事例重建系统

径迹属性 :空间位置动量电荷 粒子种类 …….

MDC

Event Rec.

Hit wire ID

TDC( 时间 )

B( 磁场 )

Event –TestTracking Kalman fit dE/dx PID

事例起始时间计算

我们开发了五种独立的方法共同完成事例起始时间计算 :1 MDC 径迹 TOF 匹配法2 EMC & TOF 匹配法3 MDC 径迹段直线拟合法4 MDC 径迹法5 MDC 径迹拟合方法

• 效率：– Bhabha ， dimu ： >99.8

%

– Hadron: 99.6%

– Cosmic ： 99.9%

– 误判率 ~1%

• 时间分辨 : 0.3ns~0.4ns

MDC 径迹快重建

xy 100um

z 4mm

p 56MeV

Eff=99%

xy100umz4mm

p/p56MeV

Fast, simple tracking for Test

• 在均匀 z 向磁场中 (BX = BY = 0, Bz=C)

带电粒子运动轨迹 ( 圆柱螺旋线 Z) 描述：X(s) = x0 + R[cos(0+hscos/R) -cos0]Y(s) = y0 + R[sin(0+hscos/R)-sin0]Z(s) = z0 + ssin

x-y 平面投影 : 园 (d2X/ds2=cos2 /Rh

)

MDC 径迹寻找

• 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 direction, tan: the slope of the track, : dip angle

• 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 :Pt = 1/||, Px = (1/|| ) (-sin(0 + ),

Py = (1/||) cos(0 + ), Pz =( 1/||) tan

E ={(1/2) (∂ 2 2 / (∂T∂ ) }-1

MDC 径迹寻找我们开发了两套独立的径迹寻找程序 : MdcPatRec 和 MdcTsfRec

两套程序均已用于 MDC 的数据处理中 , 其原理如下 :

• 当前基本性能 : (from J/ψ Run 9947 Bhabha events )

Efficiency vs P

pt/pt vs P

Efficiency vs angle

MDC 径迹寻找程序基本性能

Tracking efficiency : Barrel: 98.6%

CPU for MC data: about 10 ms/track

• 径迹拟合的目的：

二 MDC 径迹拟合 (Kalman-Filter 方法 )

• Kalman-Filter 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 LSM 方法

• 径迹拟合的基本过程和原理：1. 预测：用径迹当前的状态矢量预测第 k 时候的状态矢量 2. 过滤：加权组合第 k 时的预测信息和测量信息 , 估计 k 状态矢量信息

3. 平滑：用全部时刻 n(n>k) 的测量信息回推 , 估计 k 时刻的状态

径迹精细修正 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MDC 径迹拟合

1. 分析流程： filter 单向由外往里 , 输出 IP 点参数，用于物理分析

2. 刻度流程：双向 filter 迭加 , 输出每点径迹参数

3. 平滑流程：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，用于 dE/dx 刻度，外推 , TOF 刻度等

4. 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

5. 次级顶点重建工具： ExtToSecondVertexTool 按照用户指定的位置拟合 .

• MDC 径迹拟合基本性能 by 0.3GeV cos=0.83

* MDC 信号道数 ( 信号数 ): 6796

三 MDC 时间刻度 * 要达到空间分辨 130μm, 动量分辨 0.5%@1GeV/c

• 时间刻度的任务与方法 (反复叠带，逐渐逼近 )

• 数据样本：通常用 Bhabha 或 dimu事例

• 刻度理论模型 : 径迹残差法( ) ( ) 2

22

1

( )hitmeas trac

ik

N

i i

id d

Dmeas ：径迹与信号丝间的测量距离

Dtrack: 拟合径迹与信号丝的距离 ( 拟合距离）

σ i ： 该测量点的权重 ( 空间分辨）

* X-T关系刻度* T0 刻度* 时幅关系刻度* 几何位置校

• 刻度流程

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非均匀

– 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

度也逐渐减小– 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磁场下电子漂移线等时线图

• X-T关系刻度原因

MDC 时间刻度

• X-T关系刻度方法– 时间谱积分法– Δd-T 迭代法

• X-T 关系函数 采用 5 阶多项式 ＋ 1阶多项式

漂移时间与漂移距离的关系

漂移时间分布

10

T

ct c

V

2 1

1 2

1 1( )th

T T

t t V TV V

• T0 刻度方法和原理

MDC 时间刻度

* 对时间分布前沿进行拟合，得到 T0 的初始值

• 时幅关系刻度T0 的初步确定

信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：

* 径迹残差法对各丝层、单丝修正 T0 ，反复

叠带，逐渐逼近

得出时间游动：

实际情况中只能测量信号的电荷量 Q ，只能假设 Vt ∞Q ，使用如下函数来修正时间游动：

10

pt p

Q

• 单丝位置刻度 : 残差分布方法

MDC 几何位置校准

• 漂移室端面板校准参数

MDC 时间测量主要性能现状• 动量分辨 :11.4 MeV/c• 空间分辨 : 134 µm• 正负电贺对称性 <5MeV/c• 径迹空间分布正常• 径迹质量稳定性好

P = 11.4MeV/c

from J/psi Bhabha

from J/psi Bhabha

from J/psi Bhabha

e+/e- momentum vs run

Spatial resolution vs run (Bhabha)

P vs phi

四 dE/dx 粒子鉴别• dE/dx 粒子鉴别原理和方法

• dE/dx 刻度修正 dE/dx值的不一致性 : 带电粒子的电离特性 ; 信号丝气体放大的不均匀性 ; MDC 磁场的不 均匀性 ;取数过程环境温度、压强等条件的变化等

dE/dx 刻度项目• 单丝级别刻度（只用电子样本刻度）* 径迹长度修正* run by run 修正外界环境影响，如气压、温度等* 单丝增益：修正单元电场非均性、电子学增益差异* 漂移距离和入射角联合修正

• 径迹级别刻度 ( 用各种粒子样本做刻度 ):* 空间电荷效应的修正

* dE/dx 能损曲线刻度

* σ dE/dx 的刻度 拟合函数 σdE/dx=f(βγ)*g(sinθ)*h(Nhit)*I 使用 bhabha 数据样本得到拟合函数 : g, h 和 i : 利用强子样本得到 ( 与 dE/dx 能损曲线相似 ) ： f

K P

MDC dE/dx 测量主要性能现状σdE/dx~6%(for π)

3σ π/ĸ 分离 ~760MeV/c

总结• 在 3 年左右时间我们完成了 MDC 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，dE/dx 粒子鉴别）五个系统的设计、编程和调试 .

• 经过 BESIII 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，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

谢谢各位

BESIII 探测器

MDC 时间测量数值— TDC不是漂移时间

– 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• 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

TTDC

Tflight Tdrift Tprop Twalk TelecTES

BESIII 数据处理流程

在线事例选择

在线事例选择

MC Data generatorsimulation

MC Data generatorsimulation

离线刻度calibration

离线刻度calibration原始数据

重建数据 (DST)

数据分类 数据分类 事例重建reconstruction

事例重建reconstruction

物理分析

重建数据 (Rec)

北京谱仪

数据获取

数据处理

mc

数据产生

BESIII 事例重建过程顺序

HepEvt McTruthG4Event

HitsDigitsRawDataCnvSvcBES III RawData

Generator EventConverters Simulation

Digitization

ReconstructionAlgorithms

CalibrationAlgorithms RecHits RecTracks

AnalysisTools DstTracks

HistogramsNtuples

RootDstCnvSvcDstData

Rec2DstAlg

Event Data FlowMC 数据

实验数据

物理分析

Calibration Framework• Framework is based on GLAST ‘s scheme

The calibration constants for each sub-detector are produced by the associated calibration algorithm

The framework provides reconstruction algorithms a standard way to obtain the calibration data objects

MDC Tracking Module(1) R- Tracking & S-Z finding

3) S-Z calculation in Z finding2) Segment Finding (TSF)

1) Conformal transformation

1） Segment finding: Search segments in each super-layer using a pattern look-up table

2） Track link (S-Z finding) add stereo segments

4 3

2

1 0

7 6 5

10101001

01234567

Wires 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 finding

a) Create Hit pattern by MC: * 4 hit pattern * 3 hit pattern

c) Link segments to 2D tracks• R - 平面径迹园拟合 (非迭代拟合 ),

S-Z 平面直线拟合 (非迭代拟合 )• 空间螺旋线拟合 ( 迭代拟合 )

dE/dx 能损曲线刻度dE/dx 能损曲线刻度• 数据样本 :

– 1.electron: • bhabha:1.8-1.95Ge

V • radee:0.5-1.8GeV

– 2.muon:• dimu:1.8-1.94GeV• cosmic:0.6-10GeV

– 3.pion:gama4pi:0.5-1.7GeV

– 4:kaon:gama4k:0.5-1.0GeV

– 5.pronton:0.3-0.9Ge