多气隙电阻性板室飞行时间探测器的软件开发和数据处理

In modern particle physics experiments, time of flight (TOF) detector plays a very important role for particle identification and event selection. Multi-gap resistive plate chamber (MRPC) with excellent particle identification capability and high detection efficiency developed to be a new generation time of flight detector in recent years. It is planned to replace the actual scintillator endcap time of flight system of the Beijing Spectrometer (BESIII) experiment by a system based on MRPCs in summer 2015. In order to satisfy the requirement of particle identification capability for achievement of physical target of BESIII, this application choose the offline data calibration and reconstruction algorithms, particle identification and simulation software of MRPC TOF detector as the research objects. According to the working principle of detector and electronics, based on the existing software platform of BESIII , the research will be performed for the response in the detector for the particle and the transport processes of the signal, to achieve the goal of improvement of time resolution and reconstruction efficiency, the systematic error of particle identification will be reduced through the accurate simulation of the detector, and the software and offline data processing will also be established. This study will improve the international competitiveness of the physical results of BESIII, and it is also a part of knowledge base for the future development of the detector.

在粒子物理实验中，飞行时间探测器对粒子鉴别和事例判选起着十分重要的作用。多气隙电阻性板室具有优良的粒子鉴别能力和高探测效率，近年来发展成为新一代飞行时间探测器。北京谱仪实验计划在2015年夏季完成端盖飞行时间探测器的升级改造，用多气隙电阻性板室取代现有的塑料闪烁体。为了满足实现BESIII实验物理目标的粒子鉴别性能要求，本申请选择多气隙电阻性板室飞行时间探测器离线数据刻度与重建算法，粒子鉴别和模拟软件为研究内容。根据探测器、电子学工作原理，在现有软件平台上，对粒子在探测器中的响应和信号的输运过程进行研究，达到提高时间分辨和重建效率的目的，通过对探测器精确模拟降低粒子鉴别效率的系统误差，并完成软件实现和建立数据处理流程。本研究将对提高BESIII物理成果的国际竞争力产生积极的促进作用，同时为将来探测器的发展提供知识储备。

粒子鉴别在现代高能物理实验中十分重要。北京谱仪（BESIII）实验在2015年10月完成了端盖飞行时间探测器的升级改造，用性能更为优良的多气隙电阻性板室（MRPC）代替原有的闪烁体。通过本项目的研究，完成与探测器硬件升级相适应的软件研发，满足BESIII实验高精度测量的物理目标的需要。针对新的探测器，主要研究内容包括：探测器模拟，刻度，重建算法与粒子鉴别软件。探测器的几何与物理的精确描述和探测器的响应（数字化过程）是模拟的关键内容。时间分辨是飞行时间探测器（TOF）最重要的指标，主要通过刻度算法得到。MRPC端盖TOF的过阈时间（TOT）存在多次反射，给刻度算法带来了挑战。通过对过阈时间反射的形成机制的分析，构造了合理的刻度公式，在很大程度上改善了时间分辨，达到并超过了探测器的设计指标。利用MRPC读出条感应信号前沿和后沿时间差，以及读出条双端时间关联有效压低噪声本底，提高探测效率。粒子鉴别软件包是物理分析工具软件之一，利用MRPC端盖TOF测量的时间和预期时间，通过最大似然法得到粒子鉴别为某种粒子的几率。通过本课题的研究，优良的探测器模拟使得利用端盖TOF进行pi/K粒子鉴别的系统误差达到1%左右。高动量粒子重建效率大约98%，达到探测器的设计指标。对于动量1GeV/c的pi介子，系统总的时间分辨为65ps，超过设计指标80-100ps，与国际其他同类型探测器相比，超过STAR实验的74ps和ALICE实验的80ps，处于国际领先地位。本课题研究内容都已经完成，研究目标都已成功达到，研究充分挖掘了探测器的硬件潜力，提高BESIII实验的粒子鉴别能力，降低系统误差，对提高BESIII物理成果的国际竞争力产生了积极的推动作用，同时为MRPC探测器提供了丰富的性能信息，为同类型探测器的发展提供了知识储备。