电磁量能器数据处理和分析关键技术研究

Electromagnetic calorimeter technology is the mainstream in particle physics experiments. The research on data processing and analysis technology of the electromagnetic calorimeter is an essential subject which could not be neglected by any experiments in the world. The BESIII experiment has acquired several world's largest statistical data samples at a series of energy points. However, compared with international advanced experiments, the data processing and analysis technology of the electromagnetic calorimeter still has large space to be developed, including researches of the systematic error of neutral track, the calculation of error matrix, the match between Monte Carlo truth and reconstructed track. In this application project, the photon samples of real data and simulated samples were selected as the research object used for the studies of precise simulation of electromagnetic calorimeter, measurement uncertainties of photons, the quantitative relationship between signal, noise and background in simulation, and the related software development. The suitable mathematical and statistics methods are employed in this study, the precision of physical results of BESIII will be improved through the exploration of the interaction between photons and the detector, the reduction of the systematic error and optimization of the signal to noise ratio of the physical signal. The study of error matrix will also be applied to the PANDA experiment in Germany, and the matching method of Monte Carlo truth and reconstructed track also could be applied to other sub-detectors of BESIII. This project is of an important academic significance.

电磁量能器探测技术是粒子物理实验的主流技术。对电磁量能器数据处理与分析技术的研究是国际上各个实验不容忽视的重要课题。BESIII实验已经在一系列能量点获取了世界最大统计量数据样本，然而在电磁量能器数据处理和分析方面较国际先进实验相比尚存在一定差距，主要反映在中性径迹的系统误差，误差矩阵计算，模拟真值与重建径迹的匹配等方面。本项目选择真实数据和模拟样本中的光子为研究对象，研究电磁量能器的精确模拟，光子的测量误差以及模拟中信号与噪声本底的定量关系，并完成相关软件实现。本研究通过结合数理与统计方法，探讨粒子与电磁量能器作用的行为，降低系统误差和改善物理结果的信噪比，提高BESIII实验的精度；同时误差矩阵研究也将应用于德国的PANDA实验，模拟真值与重建径迹的匹配方法也适用于北京谱仪其他子探测器，具有重要学术意义。

电磁量能器探测技术已经成为目前粒子物理实验的主流技术，对电磁量能器数据处理与分析技术的深入研究对获得高精度实验结果，提高物理成果竞争力具有重要意义。项目利用BESIII实验获取的高统计量实验数据挑选得到的光子和pi0粒子的控制样本对电磁量能器的数据处理和分析方法开展了一系列研究。项目开展了电磁量能器的几何描述改进，电子学饱和模拟和精细的电磁簇射能量修正等研究，进一步改善了模拟与数据的一致性。光子系统误差研究是BESIII实验关键系统误差的重要内容，利用辐射dimu过程对光子系统误差进行了合理估计，达到0.5%的水平。分别对BESIII实验数据和PANDA实验的模拟样本研究发现在光子误差矩阵中可以忽略非对角元贡献。通过以动态的等效误差代替传统的能量分辨构造得到新的光子的误差矩阵。使用新误差矩阵的运动学拟合方法事例挑选效率更高，同时pull分布也更加合理。在模拟流程中实现了对信号和本底的定量统计。基于探测单元颗粒度的电磁簇射能量横向分布的描述函数改进了簇射团能量劈裂算法，新算法有效改善了高动量pi0粒子的质量分辨。电磁量能器的测量信息在高噪声本底事例的过滤中发挥重要作用，确保BESIII实验的数据质量。.项目各项研究内容已经完成，并略有拓展。申请书的研究目标均已按计划实现。项目研究成果有些已经应用在BESIII和PANDA实验中，有些正在开展性能测试，经过检验后也将应用于电磁量能器的数据处理和分析中。项目相关研究通过各种形式开展交流和探讨，研究方法获得国内外同行的认可。项目已经发表学术论文2篇，相关内容正在论文审核和撰写中，将陆续发表。通过项目研究，电磁量能器的数据处理和分析技术获得了较大发展，对BESIII实验获得更高精度物理成果发挥了重要作用；同时为国际同类型探测器的数据处理和分析方法研究提供了有意义的参考。