BESIIIEMC事例重建與刻度

1、BESIII EMC 事例重建與刻度劉春秀 （高能所實驗物理中心）2010-04-19中國高能物理大會-南昌1主要內(nèi)容BESIII CsI晶體量能器(EMC)簡介EMC事例重建簇射能量和位置重建簇射位置和能量修正TOF能量重建,它是EMC重建算法的補充利用EMC時間信息去除束流本底EMC CsI晶體單元絕對能量刻度總結(jié)2BESCsI(Tl)晶體量能器的功能與指標1. 測量光子的能量覆蓋范圍為：20 MeV2 GeV，重點能區(qū)低于500 MeV。2. 能量分辨: （BESII 201GeV)3. 位置分辨： （BESII 3cm1GeV） 4. 提供中性（）能量觸發(fā)。5. 在能量大于200MeV

2、的區(qū)域具有良好的e/分辨，和具有良好的雙角分辯能力。6晶體探測單元的電子學噪聲水平小于220KeV。 電磁量能器(EMC)在BES中占有十分重要的地位，基本功能是測量光子和電子的能量和位置信息及穿過量能器的其它帶電粒子的沉積能量。3BESCsI(Tl)晶體量能器的幾何結(jié)構(gòu)Barrel: 120 x44=5280 w:21.6t Endcaps: 2x(96,96,80,80,64,64) =960 w: 4tTotal: 6240 w: 25.6 tBESIII EMC特有的支撐結(jié)構(gòu)：桶部和端蓋晶體均以吊掛方式固定在支撐架上 4CsI晶體量能器事例重建5CsI(Tl)晶體量能器事例重建重建原理

3、: 電磁簇射在晶體中發(fā)展，把能量損失在一系列相鄰的晶體中 尋找相鄰的晶體，進而計算出入射粒子的總能量和擊中位置6EMC 事例重建流程Particles Energy(E)Raw dataADC (Elec. Calib. Applied)conversionabsolute constant Energy(Ei)clusteringBhabha Calib.DataBaseShower Energy(E)Correction 0 Calib.Rad. Bha. Calib.TOF EnergyShower energy correctionore+e- Calib.at high energy

4、 c ( J/)at low energy初始刻度常數(shù)來自相對光產(chǎn)額測量和無束流宇宙線刻度7重建算法流程晶體能量刻度能量簇團尋找能量簇團劈裂digithitclustershower8簇射尋找能量簇團(Cluster)尋找: 一系列能量沉積大于某個閾值的相鄰晶體的集合。尋找種子：沉積能量的極大值種子數(shù)目=1, cluster=1個shower，對應(yīng)一個入射粒子種子數(shù)目=m, m1, cluster=m個shower，對應(yīng)多個入射粒子通常出現(xiàn)在高動量0形成的簇團或強相互作用形成的簇團中能量簇團劈裂多個簇射1GeV光子形成的能量簇團晶體1.5GeV0形成的能量簇團9簇射能量把簇射中包含的所有晶體能

5、量求和，就得到了簇射的能量EAll 。不過參與求和的晶體數(shù)越多，包含進來的噪聲也越多，這樣會降低能量分辨。由于電磁簇射能量沉積比較集中，通常表示為種子周圍9塊晶體能量求和E33 ；或25塊晶體能量求和E55。 具體用E33還是E55要根據(jù)噪聲的水平來選取。如果該簇射是由一個能量簇團劈裂而來的，參與求和的晶體能量還需要乘以對應(yīng)的權(quán)重。10簇射位置加權(quán)平均線性權(quán)重對數(shù)權(quán)重位置修正修正粒子打到晶體表面不同位置帶來的偏差用bhabha事例，根據(jù)漂移室的徑跡外推信息進行修正修正公式：線性權(quán)重對數(shù)權(quán)重11（a）線性權(quán)重，修正前；（b）線性權(quán)重，修正后；（c）對數(shù)權(quán)重，修正前；（d）對數(shù)權(quán)重，修正后。 12

6、簇射能量修正原因: 量能器前物質(zhì)能損晶體側(cè)邊、尾端的能量泄漏 簇射能量 入射粒子能量目的：沉積能量修正到粒子的真實能量方法：選用已知光子能量的物理過程MC: 單光子數(shù)據(jù): 能量范圍 40MeV-1.0GeV 0 （簡稱0刻度）數(shù)據(jù): 能量范圍 0.5GeV-1.5GeV e+e- e+e-（簡稱輻射Bhabha刻度）高能區(qū)e+e- 雙光子事例13具體操作：首先用MC單光子刻度簇射能量(,E)依賴, 然后用高能區(qū)e+e-數(shù)據(jù)刻度簇射能量()依賴， 最后用 0 數(shù)據(jù)刻度不同能區(qū)簇射能量。 利用cJ/（）和 e+e- e+e-過程檢查光子重建性能能量分辨達到2.4%1GeV （對于光子）。p0 si

7、gnal in inclusive DATA/MCDATA/MCEMC桶部的能量分辨簇射能量修正14電磁量能器前物質(zhì)對其性能的影響 EMC前有30% 輻射長度的物質(zhì)，其中TOF占的比重最大 TOF上的能損延伸到幾百個MeV，這將使能量分辨和探測效率變差Energy loss in TOF for 1GeV photons15方法：用e+e- +- 事例刻度單根閃爍體能量和擊中位置，將重建TOF沉積能量與量能器簇射匹配，并將該能量與EMC簇射能量相加，簇射能量修正后，得到重建光子能量。結(jié)果：對高能雙光子事例能量分辨提高8%，低能量(0.8GeV)光子探測效率提高6%, 0重建效率提高12%。 M

8、C和數(shù)據(jù)符合的很好TOF能量重建是EMC重建算法的補充，提高了低能光子的探測效率，改善了高能光子的能量分辨。TOF沉積能量重建并與EMC匹配（BESIII首創(chuàng)）16TOF能量重建17EMCTOFouterinnerIPCalibrate TOF energy using di-mu events; add the TOF energy into the EMC shower energy to reconstruct photon energy17e+e- e+e- 和 cJ/（）過程中光子探測效率Solid-Without TOF, circle-With TOFPhoton efficie

9、ncy increased significantly when E0.8GeV18yp0p0J/y 中p0的探測效率 circle: without TOF energydot: with TOF energycircle: without TOF energydot: with TOF energyMC efficiencyDATA efficiencyMC efficiency improvementDATA efficiency improvement12%12%Mgg (0.12-0.145GeV)p0 efficiency increase about 12% in low ene

10、rgy range 19BESIII與其它國際上CSI晶體探測器不同，它除了有幅度信息ADC輸出，還有時間信息TDC輸出。利用EMC時間信息可以部分去除隨機產(chǎn)生的束流本底。方法: 用 0 0 J/， J/ l+l- 過程選擇低能光子樣本。比較好光子與假光子（來自隨機觸發(fā)本底）時間信息，即比較真、假光子的EMC時間減去事例起始時間。結(jié)果： 低能下(0.3GeV)束流相關(guān)本底排除率達到75%。利用EMC時間信息去除束流本底（BESIII首創(chuàng)）20 物理光子的時間信息分布 (yp0p0J/y，J/yee,mm )meEMC時間減事例起始時間的分布束流本底引起的假光子的時間EMC時間減事例起始時間隨能

11、量的變化事例起始時間 EMC時間伴隨不同的觸發(fā)有不同分布 21利用EMC時間減事例起始時間排除束流本底前后的假光子(yp0p0J/y )BarrelEndcap利用EMC時間減事例起始時間可以提高低能量下假光子的排除率光子選擇條件可設(shè)為10幾MeVTrue photonFake photon before Time cutFake photon after Time cutDATADATA22單塊晶體絕對能量刻度23單塊晶體絕對能量刻度將ADC道數(shù)轉(zhuǎn)換成能量 其中 ADCi 經(jīng)過了減臺階和電子學刻度 ，ci 是CsI晶體的絕對能量刻度常數(shù)晶體探測單元安裝之前，沒有做絕對能量刻度 實驗室只給出了

12、晶體相對光產(chǎn)額的測量利用無束流的宇宙線數(shù)據(jù)做首次的刻度24Cosmic ray宇宙線數(shù)據(jù)刻度原理事例篩選EMC背對背能量大于10MeV的CsI晶體只有兩塊由于BESIII探測器獲取的宇宙線主要是子，它的動量基本上大于1GeV， 在CsI晶體中的能量沉積可以認為與它在晶體中穿過的長度成正比對每塊晶體檢查沉積能量分布首先用相對光產(chǎn)額數(shù)據(jù)刻度刻度常數(shù)然后與蒙特卡羅數(shù)據(jù)比較 CiMC=能量平均值(MC)/能量平均值（data）對每塊晶體宇宙線刻度常數(shù)為 Cicosmic= Ci光產(chǎn)額 x CiMCdE/dx of cosmic ray in CsI crystal25Bhabha事例刻度無束流宇宙線刻

13、度只能給出一個比較粗的初始刻度，更精確的刻度必須用對撞的物理事例完成。晶體有不同的光產(chǎn)額和不同的光輸出不均勻性，由于輻照損傷等原因，光產(chǎn)額和光輸出不均勻性隨時間發(fā)生變化，因此必須經(jīng)常對單塊晶體做能量刻度。采用Bhabha事例做刻度，得到更精確的晶體單元絕對能量刻度常數(shù)。26求2 最小，可以給出如下的矩陣方程：Q 是6240階稀疏矩陣如果積累足夠統(tǒng)計量的Bhabha事例，我們可以通過求矩陣反演得到所有晶體的刻度常數(shù)用稀疏矩陣軟件包 (SLAP )求解矩陣方程.Ee(,) ：電子或正電子的運動學能量 f (Ee, ) ：沉積在EMC中的能量比分Ekexp ： 預(yù)期能量 , (,) ：能量分辨i 晶

14、體編號 k shower編號 gii塊晶體的刻度常數(shù)目前f & 由模擬數(shù)據(jù)給出構(gòu)造 2 ：Bhabha 刻度原理其中e+e-11mrad271.843GeV位置分辨(boss651)BarrelEast EndcapWest EndcapMC4.6mm5.6mm5.6mmData4.5mm6.0mm5.9mmMC4.7mm6.8mm6.8mmData5.1mm7.6mm7.2mm1.843GeV桶部 e5X5能量分辨2.3%boss6511.843GeV端蓋 e5X5能量分辨4.2%boss6513.7-3.27 Psip4.2-4.14 Psip5.25-6.2 3.65GeV6.7-7.2 JpsiMachine study晶體刻度常數(shù)平均值（ 相對于3月7日至11日的刻度常數(shù)）隨時間的變化。 Bhabha刻度