大型液闪探测器的精确快速事例重建

Large Liquid Scintillation experiment detect the neutrino mass hierarchy,double beta decay and other neutrino frontier problems. They are low energy and low background of high precision experiments, and require extremely high energy resolution. High precision reconstruction will increase the energy resolution of the experiments. Neutrino candidates rely on events vertex reconstruction, and can be used for background research, so the high-precision vertex reconstruction will also reduce the experimental system errors. The optical model of the maximum reconstruction for the liquid scintillation detectors, is not precise enough which causes the spatial response with non-uniformity.This project will increase energy by constructing a high-precision optical model. which will reduce the non-uniformity of the energy reconstruction, thus improving energy position resolution of detector. High precision of optical model will also be applied in the vertex reconstruction algorithm, the charge and time joint maximum likelihood reconstruction will improve the accuracy of vertex reconstruction and reduce reconstruction bias.This reconstruction software will be based on GPU, to increase the speed of reconstrcution. The precise and fast reconstruction software, the high precision optical model and the tiem PDF can be widely used in domestic and international large liquid scintillation detector based neutrino experiments, such as Jiangmen, SNO+, KamLAND, etc.

大型液闪中微子实验测量中微子质量等级、双beta衰变等研究中微子物理前沿问题，属于低能量低本底高精度实验，对探测器能量分辨要求极高，高精度的事例重建将提高探测器的能量分辨。中微子候选事例的挑选依赖事例顶点，且顶点可用于本底的研究，因此高精度的顶点重建还将降低实验的系统误差。目前国际上大型液闪探测器由于光学模型简单，导致重建精度不够高且空间响应非均匀性较大。本项目将通过构造高精度的光学模型来提高能量重建的精度降低非均匀性，进而提高探测器的能量位置分辨。构造的高精度光学模型用于精确的顶点重建算法中，构造联合的电荷时间极大似然重建，来提高顶点重建的精度降低偏差。本项目还将基于GPU替代传统CPU开发重建软件，来提高重建的速度。精确快速的事例重建软件、高精度的光学模型、时间概率密度函数将可广泛应用于国内国际上基于大型液闪探测器的中微子实验如江门、SNO+、KamLAND等。

项目以大型中微子探测器为背景，如国内的大亚湾反应堆中微子实验，研究了探测器事例重建的精度和速度。本研究以提高事例重建精度和速度为目标，基于大亚湾实验的刻度数据和模拟软件，以及探测器的实际实验参数，研究了可提高探测器重建精度和速度的方法。.对于精确的事例重建，极大似然法是一种精确的重建方法，极大似然法以光学模型为基础，通过建立似然函数，拟合最佳的事例顶点和能量参数。该方法提高重建精度的关键是提高光学模型的精度，本研究从光学模型入手，研究了各光学参数如液体闪烁体的衰减长度、光电倍增管的量子效率等对光学模型的影响，基于实验测量对各参数进行调节后，得到了最佳的光学模型参数。进而提高了重建的精度。.对于重建速度。极大似然重建有重建精度高的优点，但由于拟合速度慢，导致事例重建速度慢。本研究首先从算法上进行优化，减少不必要的循环等。其次研究了利用GPU进行重建加速，研究结果表明基于GPU的重建速度比基于CPU的重建速度快10几倍。.本研究的结果对于未来中微子实验如江门实验有重要意义。江门实验采用与大亚湾实验相近的探测器配置。因此具有相似的光学模型。但江门实验对数据的精度要求更高，江门实验的中微子挑选依赖中微子的重建能量及顶点，即中微子的挑选需要顶点能量cut，高精度的重建对中微子的挑选十分重要。江门实验将建成国际上最大的中微子实验站，每天将有大量的实验数据，快速的事例重建才能提供快速的数据分析。重建速度太慢会造成数据堆积或者需要更大量的计算资源，因此提高重建速度就显得尤为重要。本研究的方法和结果将应用于江门中微子实验。研究者也正在进行江门实验重建精度和速度的相关研究。