（二）量能器重建软件的开发 - 中国科学院高能物理研究所.ppt

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1、BESIII EMC 事例重建与刻度刘春秀 高能所实验物理中心2021-04-19中国高能物理大会-南昌1主要内容主要内容BESIII CsIBESIII CsI晶体量能器晶体量能器(EMC)(EMC)简介简介EMCEMC事例重建事例重建簇射能量和位置重建簇射能量和位置重建簇射位置和能量修正簇射位置和能量修正TOFTOF能量重建能量重建,它是它是EMCEMC重建算法的补充重建算法的补充利用利用EMCEMC时间信息去除束流本底时间信息去除束流本底EMC CsIEMC CsI晶体单元绝对能量刻度晶体单元绝对能量刻度总结总结2BESCsI(Tl)BESCsI(Tl)晶体量能器的功能与指标晶体量能器的

2、功能与指标1.测量光子的能量覆盖范围为：20 MeV2 GeV，重点能区低于500 MeV。2.能量分辨:BESII 201GeV)3.位置分辨：BESII 3cm1GeV 4.提供中性能量触发。5.在能量大于200MeV的区域具有良好的e/分辨，和具有良好的双角分辩能力。6晶体探测单元的电子学噪声水平小于220KeV。电磁量能器(EMC)在BES中占有十分重要的地位，根本功能是测量光子和电子的能量和位置信息及穿过量能器的其它带电粒子的沉积能量。3BESCsI(Tl)BESCsI(Tl)晶体量能器的几何结构晶体量能器的几何结构Barrel:120 x44=5280 Endcaps:2x(96,

3、96,80,80,64,64)=960 w:4tTotal:6240 w:25.6 tBESIII EMC特有的支撑结构：桶部和端盖晶体均以吊挂方式固定在支撑架上 4CsICsI晶体量能器事例重建晶体量能器事例重建5CsI(Tl)晶体量能器事例重建晶体量能器事例重建重建原理:电磁簇射在晶体中开展，把能量损失在一系列相邻的晶体中 寻找相邻的晶体，进而计算出入射粒子的总能量和击中位置6EMC 事例重建流程事例重建流程Particles Energy(E)Raw dataADC(Elec.Calib.Applied)conversionabsolute constant Energy(Ei)clus

4、teringBhabha Calib.DataBaseShower Energy(E)Correction 0 Calib.Rad.Bha.Calib.TOF EnergyShower energy correctionore+e-Calib.at high energy c(J/)at low energy初始刻度常数来自相初始刻度常数来自相对光产额测量和无束对光产额测量和无束流宇宙线刻度流宇宙线刻度7重建算法流程重建算法流程晶体能量刻度能量簇团寻找能量簇团劈裂digithitclustershower8簇射寻找簇射寻找能量簇团(Cluster)寻找:一系列能量沉积大于某个阈值的相邻晶体的集

5、合。寻找种子：沉积能量的极大值种子数目=1,cluster=1个shower，对应一个入射粒子种子数目=m,m1,cluster=m个shower，对应多个入射粒子通常出现在高动量0形成的簇团或强相互作用形成的簇团中能量簇团劈裂多个簇射1GeV光子形成的能量簇团晶体0形成的能量簇团9簇射能量簇射能量把簇射中包含的所有晶体能量求和，就得到了簇射的能量EAll。不过参与求和的晶体数越多，包含进来的噪声也越多，这样会降低能量分辨。由于电磁簇射能量沉积比较集中，通常表示为种子周围9块晶体能量求和E33；或25块晶体能量求和E55。具体用E33还是E55要根据噪声的水平来选取。如果该簇射是由一个能量簇团

6、劈裂而来的，参与求和的晶体能量还需要乘以对应的权重。10簇射位置簇射位置加权平均线性权重对数权重位置修正修正粒子打到晶体外表不同位置带来的偏差用bhabha事例，根据漂移室的径迹外推信息进行修正修正公式：线性权重对数权重11a线性权重，修正前；b线性权重，修正后；c对数权重，修正前；d对数权重，修正后。12簇射能量修正簇射能量修正原因:量能器前物质能损晶体侧边、尾端的能量泄漏 簇射能量 入射粒子能量目的：沉积能量修正到粒子的真实能量方法：选用光子能量的物理过程MC:单光子数据:能量范围 40MeV-1.0GeV 0 简称0刻度数据:能量范围 0.5GeV-1.5GeV e+e-e+e-简称辐射

7、Bhabha刻度高能区e+e-双光子事例13具体操作：具体操作：首先用首先用MCMC单光子刻度簇射能量单光子刻度簇射能量(,E),E)依赖依赖,然后用高能区然后用高能区e+e-e+e-数据刻度簇射能量数据刻度簇射能量()依赖，依赖，最后用最后用 0 0 数据刻度不同能区簇射能量。数据刻度不同能区簇射能量。利用利用c c J/J/和和 e+e-e+e-e+e-e+e-过程检查光过程检查光子重建性能子重建性能能量分辨到达能量分辨到达2.4%1GeV 对于光子。对于光子。0 signal in inclusive DATA/MCDATA/MCEMC桶部的能量分辨桶部的能量分辨簇射能量修正簇射能量修正

8、14电磁量能器前物质对其性能的影响电磁量能器前物质对其性能的影响 EMC前有30%辐射长度的物质，其中TOF占的比重最大 TOF上的能损延伸到几百个MeV，这将使能量分辨和探测效率变差Energy loss in TOF for 1GeV photons15方法：用方法：用e e+e e-+-事例刻度单根闪烁体能量和击中位置，事例刻度单根闪烁体能量和击中位置，将重建将重建TOFTOF沉积能量与量能器簇射匹配，并将该能量与沉积能量与量能器簇射匹配，并将该能量与EMCEMC簇簇射能量相加，簇射能量修正后射能量相加，簇射能量修正后，得到重建光子能量。，得到重建光子能量。结果：结果：对高能双光子事例能

9、量分辨提高对高能双光子事例能量分辨提高8%8%，低能量低能量(0.8GeV)(0.8GeV)光子探测效率提高光子探测效率提高6%,6%,0 0重建效率提高重建效率提高12%12%。MCMC和数据符合的很好和数据符合的很好TOFTOF能量重建是能量重建是EMCEMC重建算法的补充，提高了低能光子的探重建算法的补充，提高了低能光子的探测效率，改善了高能光子的能量分辨。测效率，改善了高能光子的能量分辨。TOFTOF沉积能量重建并与沉积能量重建并与EMCEMC匹配匹配BESIIIBESIII首创首创16TOF能量重建17EMCTOFouterinnerIPCalibrate TOF energy us

10、ing di-mu events;add the TOF energy into the EMC shower energy to reconstruct photon energy17e+e-e+e-和和 cJ/过程中光过程中光子探测效率子探测效率Solid-Without TOF,circle-With TOFPhoton efficiency increased significantly 18 0 0 0 0J/中中 0 0的探测效率的探测效率 circle:without TOF energydot:with TOF energycircle:without TOF energydo

11、t:with TOF energyMC efficiencyDATA efficiencyMC efficiency improvementDATA efficiency improvement12%12%Mgg(0.12-0.145GeV)p0 efficiency increase about 12%in low energy range 19BESIIIBESIII与其它国际上与其它国际上CSICSI晶体探测器不同，它除了有幅度晶体探测器不同，它除了有幅度信息信息ADCADC输出，还有时间信息输出，还有时间信息TDCTDC输出。利用输出。利用EMCEMC时间信息时间信息可以局部去除随机产

12、生的束流本底。可以局部去除随机产生的束流本底。方法方法:用用 0 0 0 J/0 J/，J/J/l+l-l+l-过程选择低过程选择低能光子样本。比较好光子与假光子来自随机触发本底能光子样本。比较好光子与假光子来自随机触发本底时间信息，即比较真、假光子的时间信息，即比较真、假光子的EMCEMC时间减去事例起始时间减去事例起始时间。时间。结果：结果：低能下低能下(0.3GeV)(0.3GeV)束流相关本底排除率到达束流相关本底排除率到达75%75%。利用利用EMC时间信息去除束流本底时间信息去除束流本底BESIII首创首创20 物理光子的时间信息分布物理光子的时间信息分布 (0 0J/，J/ee,

13、)eEMC时间减事例起始时间的分布时间减事例起始时间的分布束流本底引起的假光子的时间束流本底引起的假光子的时间EMC时间减事例起始时间随能量的变化时间减事例起始时间随能量的变化事例起始时间事例起始时间 EMC时间伴随不同的触发有不同分布时间伴随不同的触发有不同分布 21利用利用EMC时间减事例起始时间排除束流本底前后的假光子时间减事例起始时间排除束流本底前后的假光子(0 0J/)BarrelEndcap利用利用EMC时间减事例起始时间可以提上下能量下假光子的排除率时间减事例起始时间可以提上下能量下假光子的排除率光子选择条件可设为光子选择条件可设为10几几MeVTrue photonFake p

14、hoton before Time cutFake photon after Time cutDATADATA22单块晶体绝对能量刻度单块晶体绝对能量刻度23单块晶体绝对能量刻度单块晶体绝对能量刻度将ADC道数转换成能量 其中 ADCi 经过了减台阶和电子学刻度，ci 是CsI晶体的绝对能量刻度常数晶体探测单元安装之前，没有做绝对能量刻度 实验室只给出了晶体相对光产额的测量利用无束流的宇宙线数据做首次的刻度24Cosmic ray宇宙线数据刻度原理宇宙线数据刻度原理l事例筛选事例筛选lEMC背对背背对背l能量大于能量大于10MeV的的CsI晶体只有两块晶体只有两块l由于由于BESIII探测器获

15、取的宇宙线主要是探测器获取的宇宙线主要是子，它的动量根本上大于子，它的动量根本上大于1GeV，在在CsI晶体中的能量沉积可以认为与它在晶体中穿晶体中的能量沉积可以认为与它在晶体中穿过的长度成正比过的长度成正比l对每块晶体检查沉积能量分布对每块晶体检查沉积能量分布l首先用相对光产额数据刻度首先用相对光产额数据刻度l刻度常数刻度常数l然后与蒙特卡罗数据比较然后与蒙特卡罗数据比较l CiMC=能量平均值能量平均值(MC)/能量平均值能量平均值datal对每块晶体宇宙线刻度常数为对每块晶体宇宙线刻度常数为l Cicosmic=Ci光产额光产额 x CiMCdE/dx of cosmic ray in

16、CsI crystal25Bhabha事例刻度事例刻度无束流宇宙线刻度只能给出一个比较粗的初始刻度，更精确的刻度必须用对撞的物理事例完成。晶体有不同的光产额和不同的光输出不均匀性，由于辐照损伤等原因，光产额和光输出不均匀性随时间发生变化，因此必须经常对单块晶体做能量刻度。采用Bhabha事例做刻度，得到更精确的晶体单元绝对能量刻度常数。26求2 最小，可以给出如下的矩阵方程：Q 是6240阶稀疏矩阵如果积累足够统计量的Bhabha事例，我们可以通过求矩阵反演得到所有晶体的刻度常数用稀疏矩阵软件包(SLAP)求解矩阵方程.Ee(,)：电子或正电子的运动学能量 f(Ee,)：沉积在EMC中的能量比

17、分Ekexp ：预期能量,(,)：能量分辨i 晶体编号 k shower编号 gii块晶体的刻度常数目前f&由模拟数据给出构造 2：Bhabha 刻度原理刻度原理其中e+e-11mrad271.843GeV1.843GeV位置分辨位置分辨(boss651)(boss651)BarrelEast EndcapWest EndcapMC4.6mm5.6mm5.6mmData4.5mm6.0mm5.9mm MC4.7mm6.8mm6.8mmData5.1mm7.6mm7.2mm1.843GeV1.843GeV桶部桶部 e5X5 e5X5能量分辨能量分辨2.3%2.3%boss651boss6511.

18、843GeV1.843GeV端盖端盖 e5X5 e5X5能量分辨能量分辨4.2%4.2%boss651boss6513.7-3.27 Psip4.2-4.14 Psip5.25-6.2 3.65GeV6.7-7.2 JpsiMachine study晶体刻度常数平均值（相对于3月7日至11日的刻度常数）随时间的变化。Bhabha刻度结果：刻度结果：l能量分辨：能量分辨：桶部桶部l位置分辨：桶部位置分辨：桶部l模拟和数据符合的很好模拟和数据符合的很好l晶体刻度常数随时间的变化反映了晶晶体刻度常数随时间的变化反映了晶体辐照损伤情况体辐照损伤情况对撞取数阶段辐照较小对撞取数阶段辐照较小加速器机器研究时辐照程度大一加速器机器研究时辐照程度大一些些28总结BESIII晶体量能器运行状态很好，性能稳定。BESIII EMC已经到达了设计/验收指标蒙特卡罗模拟和数据符合很好能量分辨 2.5%1GeV位置分辨 6mm1GeVEMC重建刻度软件已经成功的处理了BESIII 采集的所有数据29谢谢各位30