基于monecilor模擬的p和p粒子的鑒別

基于monecilor模擬的p和p粒子的鑒別

1tof與p的比較北京譜儀是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（bepc）上的一種大型綜合性磁強(qiáng)計(jì)。改造后的bes采用內(nèi)、外波管、前端探測(cè)器（rc）、主偏移室（mdc）、行程時(shí)間檢測(cè)器（tof）、桶簇射器（bec）、磁鐵和子探測(cè)器等功能，對(duì)提高了速度。當(dāng)bsb型p時(shí)，時(shí)間分辨率從375ps提高到180ps時(shí)，提高了識(shí)別螺母、k和p的能力。然而，當(dāng)使用tof識(shí)別p和d時(shí)，低能量p和d-p的識(shí)別效率差異很大，相應(yīng)的儀器譜也是不對(duì)稱的。此外，在含有p的變相軌跡中，有許多這種偽光，這通常會(huì)影響物理分析的結(jié)果。因此，有必要對(duì)p和p的測(cè)量行為進(jìn)行全面了解，并找到合適的顆粒識(shí)別方法。主要利用單粒子的MonteCarlo模擬程序研究了p和ˉp在探測(cè)器中與物質(zhì)的相互作用、不同動(dòng)量p和ˉp的重建效果、假光子的去除效果以及不同粒子鑒別方法的優(yōu)劣性,并從J/ψ的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中進(jìn)一步驗(yàn)證了MonteCarlo的結(jié)果.2帶徑跡的選擇BES上新發(fā)展的MonteCarlo模擬軟件SIMBES基于Geant3.21,能較好地模擬強(qiáng)相互作用過(guò)程.大量SIMBES模擬結(jié)果和數(shù)據(jù)的比較表明,SIMBES和真實(shí)數(shù)據(jù)基本上是吻合的.作為驗(yàn)證,文中大部分圖同時(shí)提供了數(shù)據(jù)和MC的分布圖.利用了單粒子的模擬程序,用SIMBESv104版本分別模擬了50,000個(gè),動(dòng)量從0.1GeV/c到1.5GeV/c之間均勻分布、cosθ處于正負(fù)0.8之間的質(zhì)子和反質(zhì)子.模擬結(jié)果表明,能量特別低的p根本不能被重建出來(lái),這主要是因?yàn)閜的能量損失.根據(jù)Bethe-Bloch公式,粒子在介質(zhì)中的平均能量損失率為-dEdx=Κz2ΖA1β2[12ln2mec2β2γ2ΤmaxΙ2-β2-δ2]?這里Z和A分別是介質(zhì)原子數(shù)和質(zhì)量數(shù).其他的變量定義參見(jiàn)文獻(xiàn).在BES能區(qū),粒子在某種介質(zhì)中的能量損失僅僅是β的函數(shù).所以,對(duì)于相同動(dòng)量的π,K和p,p的能量損失要比其余兩個(gè)大得多.此外,粒子在固體中的能量損失明顯比氣體中的大,因此粒子在各子探測(cè)器的內(nèi)外壁處被吸收的可能性比1058—1061較大.圖1顯示的是MonteCarlo產(chǎn)生的p的動(dòng)量(重建之前)隨著帶電徑跡的選擇條件逐漸嚴(yán)格而呈現(xiàn)的不同分布,從中可以明顯地看到束流管、VC和MDC外壁對(duì)p的吸收作用.ˉp的情況與p不同,由于ˉp與物質(zhì)湮沒(méi)后能夠產(chǎn)生大量的帶電徑跡,因此在動(dòng)量很小的ˉp事例中,TOF也可能有擊中.事例顯示圖也明顯地表明低動(dòng)量p的徑跡在VC的外壁就已中斷,ˉp湮沒(méi)后卻有很多徑跡打在TOF上.在模擬的50,000個(gè)質(zhì)子中,大約有1.5髎的事例重建出一條以上的帶電徑跡,8.2髎的事例含有光子;而在50,000個(gè)反質(zhì)子中,含有一條以上的帶電徑跡的事例約占25.1髎,含光子的事例約占83.7髎.圖2顯示的是J/ψ→pˉp中帶電徑跡和中性徑跡的分布,從中可以看出有許多額外的帶電徑跡和中性徑跡產(chǎn)生.為了去除這些額外的徑跡,帶電徑跡和光子分別用如下的條件選擇.如某一徑跡是MDC重建出的徑跡,具有好的螺旋線擬合,且其頂點(diǎn)限制在徑向2cm,軸向20cm以內(nèi),則該徑跡被認(rèn)為是好的帶電徑跡.經(jīng)過(guò)選擇后,具有一條以上帶電徑跡的事例在p樣本中的比例幾乎為0,在ˉp也大約只有1.3髎.對(duì)于光子,要求它在BSC中至少擊中兩層,沉積能量大于50MeV,光子在BSC首層擊中方向與它在BSC中的簇射發(fā)展方向的夾角小于25°.選擇后含有光子的p事例約有1.2髎,ˉp事例仍有54.9髎之多.這對(duì)許多含ˉp的衰變道的分析是十分不利的.考慮到大部分光子與ˉp的夾角較小(見(jiàn)圖3),對(duì)于ˉp,額外要求光子和帶電徑跡的夾角大于25°以排除部分假光子.經(jīng)過(guò)這一選擇后,含光子的ˉp事例降低到20.1髎左右.如果把通過(guò)好的帶電徑跡選擇的事例認(rèn)為是能夠正確重建出來(lái)的事例,它和總事例的比值稱為重建效率,那么動(dòng)量在0.8GeV/c以上的p和pˉ的重建效率基本相同,都在95髎以上;在0.3—0.8GeV/c之間,pˉ的效率比p略低;而在0.3GeV/c以下,p幾乎無(wú)法重建出來(lái),pˉ仍有一部分事例可以重建出來(lái),但是這部分小能量pˉ重建出來(lái)的動(dòng)量在目前是不正確的,即使經(jīng)過(guò)dE/dx能量損失和磁場(chǎng)的修正也不能得到正確的結(jié)果.所以,對(duì)于BES目前的情況,只有動(dòng)量在0.3GeV/c以上的p和pˉ是可用的.p和pˉ的另一個(gè)顯著的差別是它們?cè)诖厣溆?jì)數(shù)器(BSC)中沉積的能量.J/ψ產(chǎn)生的p和pˉ在BSC中的沉積能量如圖4所示,p在SC中的沉積能量一般在0.7GeV以下,而pˉ則有可能達(dá)到2.5GeV.常用E/P(沉積能量/動(dòng)量)比排除電子,但對(duì)末態(tài)中含有pˉ的衰變道,要小心使用.3tof-de/c的pTOF和dE/dx的信息常被用來(lái)鑒別p,π和K,比較了TOF,dE/dx以及它們的聯(lián)合信息(TOF+dE/dx)方法鑒別p和pˉ的效果.其中,聯(lián)合方法的χ2com的定義為χcom2=χΤΟF2+χdE/dx2圖5是通過(guò)3種鑒別方法后的p和pˉ動(dòng)量分布.從p的情況來(lái)看,聯(lián)合鑒別的方法在整個(gè)動(dòng)量區(qū)間的效率基本上都是最高的,TOF只能鑒別動(dòng)量高于0.37GeV/c的p,這是因?yàn)榻^大多數(shù)動(dòng)量太低的p不能擊中TOF.dE/dx在鑒別動(dòng)量低于0.8GeV/c的pˉ時(shí)效率最高.和p不同的是,TOF對(duì)動(dòng)量在0.25—0.37GeV/c的pˉ也有較高的鑒別效率.在這個(gè)動(dòng)量區(qū)間的pˉ,有很多是在MDC外壁處湮沒(méi)的,湮沒(méi)后產(chǎn)生的次級(jí)粒子擊中TOF,這樣TOF測(cè)得的時(shí)間和pˉ的預(yù)期飛行時(shí)間差不多,所以仍然可以鑒別出pˉ.為了估計(jì)π,K本底的誤判情況,利用單粒子模擬程序分別產(chǎn)生了20,000個(gè)動(dòng)量在0.1GeV/c與1.5GeV/c之間均勻分布的π和K粒子,讓它們通過(guò)和p,pˉ相同的判選程序.表1所示的是π,K本底混入的總數(shù).由于本底主要是在低動(dòng)量端和高動(dòng)量端混入,所以在0.8GeV/c處分為兩個(gè)區(qū)間比較合理.從表1中可以看到,用TOF做粒子鑒別時(shí)混入的本底總是最低的,dE/dx的本底最高.綜合考慮效率和本底情況,認(rèn)為在一般情況下可以利用聯(lián)合鑒別的方法鑒別p和pˉ,這樣即能夠保持較高的效率和較低的本底,又可以盡可能地避免在不同動(dòng)量區(qū)間用不同的鑒別方法所帶來(lái)的效率突變.4tof和de/x方法選取了兩個(gè)J/ψ衰變道檢驗(yàn)以上MonteCarlo的結(jié)果.一個(gè)是J/ψ→ppˉ,另外一個(gè)是J/ψ→ppˉπ+π-.從這兩個(gè)衰變道,可以檢驗(yàn)動(dòng)量從0.1GeV/c到1.3GeV/c的p和pˉ,而且也能夠獲得比較干凈的p和pˉ樣本.在J/ψ→ppˉ的事例選擇中,要求兩條且只有兩條好的帶電徑跡,帶正電的徑跡被鑒別為p,帶負(fù)電的為pˉ?Ρrob(χp?pˉ2?4C)>0.05,其中,Prob(χ2p?,4C)是根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)擬合得到的χ2值計(jì)算出的概率.從帶電徑跡和中性徑跡數(shù)的分布和p和pˉ在BSC中的沉積能量來(lái)看,數(shù)據(jù)和MonteCarlo基本上是符合的.用TOF選擇一條帶電徑跡,比較3種粒子鑒別方法對(duì)另一條徑跡的鑒別效率的差異(見(jiàn)圖6(a),(b)).聯(lián)合鑒別的效率和dE/dx的效率基本相同,TOF的效率略低些.在選擇J/ψ→p?pˉπ+π-事例時(shí),要求有4條好的帶電徑跡,且分別被鑒別為p,pˉ,π+,π-,運(yùn)動(dòng)學(xué)擬合給出的χ2(4C)<15.在比較粒子鑒別時(shí),除了要比較的徑跡之外的3條徑跡都用聯(lián)合鑒別的方法鑒別,結(jié)果見(jiàn)圖6(c),(d).聯(lián)合鑒別和只用dE/dx的效果相近.這兩個(gè)衰變道的結(jié)果同樣說(shuō)明了聯(lián)合鑒別的效果比較好.5de/x和tof由于pˉ與探測(cè)器物質(zhì)的湮沒(méi),它能夠產(chǎn)生比p多得多的次級(jí)帶電徑跡和中性徑跡.經(jīng)過(guò)好徑跡選擇后,p產(chǎn)生的次級(jí)徑跡基本能夠被排除,pˉ產(chǎn)生的次級(jí)帶電徑跡也可大部分被排除,但光子仍然保持較高的比例.p和pˉ在探測(cè)器中的能量損失要比π,K大得多,大量低能的p在各子探測(cè)器的內(nèi)外壁被吸收掉,只有動(dòng)量大于0.25GeV/c的p才可能在MDC中產(chǎn)生徑跡;探測(cè)到的許多低能pˉ的徑跡是它湮沒(méi)以后產(chǎn)生的,所以無(wú)論是p還是pˉ,如果它的動(dòng)量小于0.3GeV/c,目前都不能重建出正確的動(dòng)量值.鑒別p和pˉ可以用TOF,dE/dx和二者聯(lián)合的方法.3種方法各有優(yōu)劣.動(dòng)量小于0.37GeV/c的p不能擊中TOF,因此無(wú)法用T