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(shí)驗(yàn)物理中心）2010-04-19中國(guó)高能物理大會(huì)-南昌1主要內(nèi)容BESIII CsI晶體量能器(EMC)簡(jiǎn)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(bǔ)充利用EMC時(shí)間信息去除束流本底EMC CsI晶體單元絕對(duì)能量刻度總結(jié)2BESCsI(Tl)晶體量能器的功能與指標(biāo)1. 測(cè)量光子的能量覆蓋范圍為：20 MeV2 GeV，重點(diǎn)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(cè)單元的電子學(xué)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(cè)量光子和電子的能量和位置信息及穿過(guò)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(jìn)而計(jì)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(lái)自相對(duì)光產(chǎn)額測(cè)量和無(wú)束流宇宙線刻度7重建算法流程晶體能量刻度能量簇團(tuán)尋找能量簇團(tuán)劈裂digithitclustershower8簇射尋找能量簇團(tuán)(Cluster)尋找: 一系列能量沉積大于某個(gè)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(gè)shower，對(duì)應(yīng)一個(gè)入射粒子種子數(shù)目=m, m1, cluster=m個(gè)shower，對(duì)應(yīng)多個(gè)入射粒子通常出現(xiàn)在高動(dòng)量0形成的簇團(tuán)或強(qiáng)相互作用形成的簇團(tuán)中能量簇團(tuán)劈裂多個(gè)簇射1GeV光子形成的能量簇團(tuán)晶體1.5GeV0形成的能量簇團(tuán)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(guò)參與求和的晶體數(shù)越多，包含進(jìn)來(lái)的噪聲也越多，這樣會(huì)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(lái)選取。如果該簇射是由一個(gè)能量簇團(tuán)劈裂而來(lái)的，參與求和的晶體能量還需要乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)重。10簇射位置加權(quán)平均線性權(quán)重對(duì)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(lái)的偏差用bhabha事例，根據(jù)漂移室的徑跡外推信息進(jìn)行修正修正公式：線性權(quán)重對(duì)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(duì)數(shù)權(quán)重，修正前；（d）對(duì)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(shí)能量方法：選用已知光子能量的物理過(guò)程MC: 單光子數(shù)據(jù): 能量范圍 40MeV-1.0GeV 0 （簡(jiǎn)稱0刻度）數(shù)據(jù): 能量范圍 0.5GeV-1.5GeV e+e- e+e-（簡(jiǎn)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(guò)程檢查光子重建性能能量分辨達(dá)到2.4%1GeV （對(duì)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(duì)其性能的影響 EMC前有30% 輻射長(zhǎng)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(gè)MeV，這將使能量分辨和探測(cè)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(duì)高能雙光子事例能量分辨提高8%，低能量(0.8GeV)光子探測(cè)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(bǔ)充，提高了低能光子的探測(cè)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(guò)程中光子探測(cè)效率Solid-Without TOF, circle-With TOFPhoton efficie

9、ncy increased significantly when E0.8GeV18yp0p0J/y 中p0的探測(cè)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(guó)際上CSI晶體探測(cè)器不同，它除了有幅度信息ADC輸出，還有時(shí)間信息TDC輸出。利用EMC時(shí)間信息可以部分去除隨機(jī)產(chǎn)生的束流本底。方法: 用 0 0 J/， J/ l+l- 過(guò)程選擇低能光子樣本。比較好光子與假光子（來(lái)自隨機(jī)觸發(fā)本底）時(shí)間信息，即比較真、假光子的EMC時(shí)間減去事例起始時(shí)間。結(jié)果： 低能下(0.3GeV)束流相關(guān)本底排除率達(dá)到75%。利用EMC時(shí)間信息去除束流本底（BESIII首創(chuàng)）20 物理光子的時(shí)間信息分布 (yp0p0J/y，J/yee,mm )meEMC時(shí)間減事例起始時(shí)間的分布束流本底引起的假光子的時(shí)間EMC時(shí)間減事例起始時(shí)間隨能

11、量的變化事例起始時(shí)間 EMC時(shí)間伴隨不同的觸發(fā)有不同分布 21利用EMC時(shí)間減事例起始時(shí)間排除束流本底前后的假光子(yp0p0J/y )BarrelEndcap利用EMC時(shí)間減事例起始時(shí)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(duì)能量刻度23單塊晶體絕對(duì)能量刻度將ADC道數(shù)轉(zhuǎn)換成能量 其中 ADCi 經(jīng)過(guò)了減臺(tái)階和電子學(xué)刻度 ，ci 是CsI晶體的絕對(duì)能量刻度常數(shù)晶體探測(cè)單元安裝之前，沒(méi)有做絕對(duì)能量刻度 實(shí)驗(yàn)室只給出了

12、晶體相對(duì)光產(chǎn)額的測(cè)量利用無(wú)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(duì)背能量大于10MeV的CsI晶體只有兩塊由于BESIII探測(cè)器獲取的宇宙線主要是子，它的動(dòng)量基本上大于1GeV， 在CsI晶體中的能量沉積可以認(rèn)為與它在晶體中穿過(guò)的長(zhǎng)度成正比對(duì)每塊晶體檢查沉積能量分布首先用相對(duì)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(duì)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(wú)束流宇宙線刻

13、度只能給出一個(gè)比較粗的初始刻度，更精確的刻度必須用對(duì)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(shí)間發(fā)生變化，因此必須經(jīng)常對(duì)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(duì)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(jì)量的Bhabha事例，我們可以通過(guò)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(yùn)動(dòng)學(xué)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(hào) k shower編號(hào) 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(duì)于3月7日至11日的刻度常數(shù)）隨時(shí)間的變化。 Bhabha刻度