暗物质粒子探测卫星径迹重建的元胞自动机方法研究

Track measurement is the central part of high energy particle detection. A track is the seed of the reconstruction pipeline of position, direction, charge and momentum of a particle. For very energetic particles, the complexities of particle-matter interactions lead to the increment of track density and diversity，and make the track reconstruction a challenge task. Dark matter particle explore (DAMPE) is a high energy cosmic ray detector launched by China. It is a multi-TeV detector with compact design for operating on space. For the complex outer space environment with unpredictable noise sources, unstable trigger rate and intensive low energy particle background，the track reconstruction processes of DAMPE have encountered problems like high track intensity, track information-incomplete for some events, problem of track-shower discrimination etc..It will take rather hard computational effects to the track reconstruction with the roadmap method or Kalman filter method while in fact showing no significant improvement in the efficiency or accuracy. We would like to develop a cellular automaton approach by replica of simple track evolution rules that based on discrete and localized track model, to offer an option for fast and high efficiency tracker reconstruction. The algorithm will be further designed to allow for high performance parallel computing and be generalized for application on other detectors.

径迹测量提供了高能粒子位置、方向、电荷及动量等信息，这些信息是探测器数据进一步重建的种子信息。随着粒子能量的增加，其同探测器材料间的相互作用复杂性增加、多样性提高、径迹的密度增加，对重建算法有更高要求。暗物质探测卫星是我国发射的高能宇宙线探测器，其设计紧凑，运行环境复杂，面临背景低能粒子多，电子学噪声来源多样，触发频率不固定等问题；尤其在测量高达数十 TeV 能量的粒子时，单事例径迹密度大，径迹信息不完全，径迹同簇射区分不明显，事件重建难度显著提高。采用直接法或卡尔曼滤波技术等方法进行径迹判别计算量大，并行化困难，在效率和准确率方面无明显优势。本项目拟采用元胞自动机算法，将粒子同探测器作用的动力学过程离散化，将径迹模型局域化，通过简单径迹演化规则的重复迭代来模拟径迹动力学，以期获得一种高效、高准确性、可并行化的径迹识别重建算法。该方法可推广到其他空间探测器数据处理中。

项目背景：本项目基于暗物质粒子探测卫星的硅微条径迹探测器，开发了一种基于元胞自动机的寻迹方法，以解决探测器中多重散射导致的复杂径迹问题。.主要研究内容：研究硅微条探测器的校准、参数化，并在其基础上得到击中点的位置，强度，误差等信息，然后通过元胞自动机的演化原理，得到完整的径迹演化过程，进而得到整个事件的演化信息。并研究将其并行化的技术方法。.重要结果：通过该方法，可以得到任意噪声环境下最可能的径迹信息，以及探测器中可能发生的多重散射和碎裂过程的信息。.科学意义：得到的完整径迹信息，一方面提高了电子数据分析的精度，另一方面还对于重核碎裂过程有了清晰认识，对于重核尤其是发生多重散射和碎裂的事件，可以很好的处理其次级粒子。