BESⅢ離線軟件與D物理的研究.pdf

1、北京正負電子對撞機（BEPC）及其大型通用探測器北京譜儀（BES）在2004-2008年間進行了第二次升級改造，并已于2008年中開始運行和實驗取數(shù)。新升級后的BEPCⅡ是一個高亮度、多束團的雙環(huán)對撞機，將繼續(xù)工作在T-粲能區(qū)，其設計峰值亮度比BEPC提高兩個數(shù)量級，達到103cm-2s-1；BESⅢ探測器基于物理要求，采用了He基氣體小單元漂移室、CsI晶體量能器、塑料閃爍體飛行時間計數(shù)器、RPCμ子探測器以及基于流水線技術的前端電子

2、學等系統(tǒng)構成，其探測性能相較BESⅡ有了很大提高。基于BEPCⅡ/BESⅢ上將產(chǎn)生的大統(tǒng)計量和高精確度的數(shù)據(jù)樣本，預期能夠在弱電相互作用和強相互作用研究、新物理的尋找等問題上取得重要結果。 為配合BEPCⅡ的高亮度，BESⅢ的在線數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和離線數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)都采用了全新的技術設計和實現(xiàn)，如面向對象的C++程序開發(fā)語言、高能物理通用軟件框架Gaudi等技術的使用，在軟件重用、模塊化的設計和開發(fā)以及代碼維護等多方面為我們帶來了便利

3、。另外，與D（s）介子相關的D物理研究是BESⅢ數(shù)據(jù)分析工作的重要組成部分。在現(xiàn)階段，對D物理分析使用的軟件工具的開發(fā)，將為未來D物理工作的正常開展提供基礎。 當BEPCⅡ在設計峰值亮度運行時，BESⅢ中事例率將高達107 Hz。為了壓低數(shù)據(jù)中各種來源的本底事例以減輕數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的壓力，有必要在取數(shù)的同時對事例進行篩選；此外在計算資源允許的情況下，還可以對我們感興趣的物理事例分類和標記。為此，我們在第一級硬件快速觸發(fā)系統(tǒng)的基礎上

4、，實現(xiàn)了第二級事例篩選軟件系統(tǒng)。事例篩選軟件框架在設計時充分考慮了軟件模塊與運行環(huán)境的分離問題，將與在線環(huán)境耦合部分以接口的形式提供，而其流程控制功能核心組件則實現(xiàn)為和環(huán)境無關的獨立模塊。這樣，流程控制組件不僅能做為在線事例篩選軟件的一部分運行于在線環(huán)境，還能直接運行于離線軟件框架中，提高了軟件的重用性，也方便了事例篩選算法在離線環(huán)境中的開發(fā)。我們還為流程控制組件實現(xiàn)了強大的邏輯控制能力，使其能使用各種篩選算法和條件的靈活組合；同時使用

5、XML格式的配置文件，以簡析的規(guī)則實現(xiàn)對流程控制的完全配置。事例篩選軟件已經(jīng)運行于BESⅢ實時在線取數(shù)環(huán)境中，運行穩(wěn)定且結果基本可靠。在將來，事例篩選算法和篩選條件還需要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的實際情況不斷調試和完善，以進一步提高其性能和可靠性。 在線數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)完成取數(shù)后，將原始數(shù)據(jù)存人磁盤或磁帶供離線數(shù)據(jù)處理任務使用。原始數(shù)據(jù)是以特定格式壓縮編碼的探測器電子學讀出信息，以二進制數(shù)據(jù)流形式保存。為了方便離線軟件對原始數(shù)據(jù)的訪問，我們開發(fā)

6、了基于Gaudi的原始數(shù)據(jù)轉換服務，它為用戶隱藏了格式相關的復雜細節(jié)，而是提供了一致的數(shù)據(jù)訪問接口。它主要用于完成數(shù)據(jù)的解碼，將電子學壓縮信息還原為探測器中的時間和電荷信號；另外也具有數(shù)據(jù)輸出功能，能夠把模擬數(shù)據(jù)存儲為原始數(shù)據(jù)格式。為能在一些在線軟件中重用原始數(shù)據(jù)轉換服務的功能，我們?yōu)槠涮峁┝嗽诰€和離線兩種編譯模式，其中的在線模式運行時從網(wǎng)絡獲取事例數(shù)據(jù)，然后完成格式解析過程。為緩解數(shù)據(jù)服務器的磁盤I/O和網(wǎng)絡瓶頸問題，還對轉換服務進行

7、了優(yōu)化，包括添加文件緩存和使用第三方庫對文件進一步壓縮等，起到了積極效果。開發(fā)了原始數(shù)據(jù)過濾服務對原始數(shù)據(jù)進行預處理，離線任務可根據(jù)需要，排除數(shù)據(jù)中部分不滿足規(guī)范的擊中信息。BESⅢ探測器自開始取數(shù)以來，已積累了超過2TB的原始數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)的處理過程中，原始數(shù)據(jù)轉換服務運行穩(wěn)定、結果可靠，符合BESⅢ實驗的需求。 BEPCⅡ在設計亮度運行時，每年將能產(chǎn)生約3×107 DD介子對，數(shù)據(jù)的有效利用需要對D介子的高效重建。我們將

8、使用到大量的D介子強衰變過程，以在保證重建質量的前提下提高重建效率。為能簡化重建程序的開發(fā)、維護和使用，參考CLEO-c D-tagging軟件思想，結合BOSS框架的結構和特點，設計了BESⅢ的D-tagging軟件框架。使用D-tagging成功重建的D介子稱為D標記，通常的D物理研究都應從D標記開始。D-tagging框架分為粒子列表、組合器和D標記的存儲訪問三個功能模塊，其中的粒子列表和組合器在BesDChain軟件包中集成實現(xiàn)

9、。BesDChain是D-tagging軟件的重要組成部分，然而，它事實上獨立于D介子的標記，可以做為一個通用的軟件工具用于任意衰變過程的重建。BesDChain能大大簡化事例重建代碼的編寫、特別是復雜衰變過程。BesDChain在實現(xiàn)時大量使用了C++語言的模板技術，在很大程度上避免了功能相似代碼的重復開發(fā)；另外還在很多場合使用了懶惰計算法（lazy evaluation），避免了計算資源的浪費。目前，BesDChain的所有預期基本

10、功能均已實現(xiàn)，且能夠和BOSS現(xiàn)有軟件系統(tǒng)很好的融合，D標記存儲訪問的研究也正在進行中。以BesDChain為基礎，D標記算法的開發(fā)即將在后續(xù)工作中展開。 D介子衰變到兩個矢量介子時，對其兩個子粒子角分布的測量能為CP破壞的研究提供信息。為了從D+→K*（892）0ρ+（+c．c．）衰變中提取分支比以及D介子的縱向極化比率fL，開發(fā)了多變量擬合軟件工具包D2vvTools。為了區(qū)分信號和本底，使用了△E、mbc、mK*和mp四

11、個參量；D+在縱向和橫向極化時，其子粒子K*和ρ+的衰變角θ1和θ2有不同的分布，θ1和θ2被用于fL的測量。這樣，D2vvTools總共使用了6個變量做為擬合參數(shù)。對每個參數(shù)的概率密度函數(shù)（PDF）都使用MC數(shù)據(jù)進行參數(shù)化和確定。為能精確描述數(shù)據(jù)的分布情況，我們不但把數(shù)據(jù)劃分為信號和本底，還將信號進一步細化為真實信號和Self Cross Feed（SCF）組分。假定參與擬合的6個變量相互沒有關聯(lián)，它們的聯(lián)合PDF將能通過各單變量PD

12、F的乘積得到。我們把80％縱向極化和20％橫向極化的模擬信號混合，測試了D2vvTools對極化比率的分辨能力，得到fL=（80．4±0．5）％。目前對本底只做了初步檢查，將來還需要更多深入研究，以對本底進行細致的分類和理解。 本文最后還回顧了不同實驗對衰變常數(shù)fDs+的最新測量結果，發(fā)現(xiàn)其實驗值相對格點QCD（LQCD）理論預言值有約4σ水平的偏差。同時，Rμ≡BR（D+s→μ+vμ）/BR（D+→μ+vμ）也比標準模型的預言