羊八井ARGO实验簇射芯位的重建 刘 传 磊 物理与微电子学院

羊八井ARGO实验簇射芯位的重建 Contents 羊八井ARGO实验 离线数据分析软件介绍 不同的芯位重建方法 对芯位重建方法的检验 结论及展望 ARGO实验合作组开发研制的离线数据分析软件-MEDEA++

第一部分 羊八井ARGO实验

羊八井ARGO实验 ARGO 物理目的 γ天文 弥散γ观测 γ暴物理 反质子丰度测定 宇宙线质子谱 大气簇射结构的详细研究 太阳和日地物理

羊八井ARGO实验 111.01m 77.87m 98.84m 76.36m 一万平米的RPC地毯式阵列，中央五千米的地毯

羊八井ARGO实验

羊八井ARGO实验 1.25m 2.8m

羊八井ARGO实验 事例率高、数据量大 实验数据的处 理和存储 medea++ 事例率高、数据量大 实验数据的处 理和存储 medea++ 使得对实验数据 面向对象的编程语言C++开发了离线数据分析软件MEDEA++

第二部分 离线数据分析软件介绍 下面介绍一下medea++，这个软件可以对ARGO所探测到的EAS簇射事例进行重建并可以对数据进行存储和管理，还可以做物理分析。

离线数据分析软件介绍 分析软件的整体结构 探测器阵列的几何描述 事例信息的描述和重建 事例的存储 物理分析工具 软件的整体结构包括下面4部分。 探测器阵列的几何描述：给出探测器的组成和几何尺寸以及这些组成在阵列中的位置等信息。事例信息的描述和重建部分是整个程序的核心部分。他主要是对实验上探测器获得的或者MC数据以及重建后的事例信息的描述。同时它控制事例的整个重建过程。存储是采用程序提供的ROOT数据结构来存储事例信息。分析工具，他提供了某些物理量的直方图或NTUPLE文件，所以用户可以根据需要产生一些文件来进行物理分析工作。

离线数据分析软件介绍 探测器阵列的几何描述 采用了“复合-部件”的模式（Composite-component）： ArgoComp类来描述一个部件标识号码，在阵列中的位置，在一个复合部件中的位置等信息。 模板类ArgocompT用于描述一个复合部件和复合部件的子部件的几何信息。

离线数据分析软件介绍 事例信息的描述和重建 1、 下面4个类完成对事例信息的描述，EVDAQ类描述来自阵列数据获取系统的事例信息。 EVRAW类描述可直接用于重建的事例的信息。EVREC1类包括出去躁声的击中 EVREC2重建后的事例的信息 RECLEVEL0完成由EVDAQ到EVRAW信息的传输 RECLEVEL1去掉非活动区的击中和躁声击中 RECLEVEL2完成重建工作，平面拟合然后芯位重建然后圆锥拟合

离线数据分析软件介绍 重建过程事例信息流程 EvDAQ RecLevel0 EvRaw RecLevel1 EvRec1 RecLevel2 EvRec2

离线数据分析软件介绍 事例信息的存储 物理分析工具 存储是采用程序提供的ROOT数据结构来存储事例信息。分析工具，他提供了某些物理量的直方图或NTUPLE文件，所以用户可以根据需要产生一些文件来进行物理分析工作。

第三部分 不同的芯位重建方法

不同的芯位重建方法 Centre Tree Mtree Dtree Wavelets

不同的芯位重建方法 N= 给定事例的PAD击中数 对于某一击中 PAD i (i=1,…,N): xi , yi ≡PAD 的中心坐标 ti ≡粒子到达时间 ri(2) ≡(xi , yi) ri(3) ≡(xi, yi, zi) （with zi=ti·clight） ni ≡击中Strip数

不同的芯位重建方法 1、重心法 rc = 芯位： 击中PAD位置的加权平均

不同的芯位重建方法 在 MTree、Tree和DTree 三种方法 中，都会用到Tree 长度这一概念。 Mtree tree and dtree 三种方法都要用到tree 长度这个定义。 ???????

不同的芯位重建方法 一个二维r-tree示例 r-tree 长度定义如下： l(r) =

不同的芯位重建方法 2、 Mtree 方法 芯位： N个Tree长度中最小那个 所对应的参照PAD的中心位置

不同的芯位重建方法 5 3 4 n1=1 l(r1)=3x2+5x5=31 n3=5 n2=2 l(r3)=5x1+4x2=13

不同的芯位重建方法 3、Tree 方法 rc= rc= where wi= 芯位： 考虑到Tree长度时击中PAD位置的加权平均

不同的芯位重建方法 4、Dtree 方法 rc= where wi= (1- ) 芯位： 考虑到Tree长度时击中PAD位置的加权平均

不同的芯位重建方法 5、平滑算法-----小波法 Fourier 变换: F(s)= f(x)=

不同的芯位重建方法 小波变换: （x） if （0） = 0 = 0 Given a function , if it can meet the requirements as following，we call it mother wavelet. （x） ……….(a) C = < ?????? if （0） = 0 = 0 ……….(b)

--Wavelet algorithm 对母小波 作伸缩、平移，得到一小波序列 系数a (scale)表明小波函数的平滑程度 对母小波 作伸缩、平移，得到一小波序列 ｛ a,b(x)｝ a,b(x) = ( ) 系数a (scale)表明小波函数的平滑程度 系数b表明小波函数的位置.

--Wavelet algorithm A standard choice for the mother wavelet is the so called mexican hat function Where D means D-dimensional area ??????

--Wavelet algorithm

--Wavelet algorithm 小波变换 r分离的、有限的 r = (x1, x2, …, xD) 小波变换如式子所示，对于探测器阵列来说，变量r是不连续和有限的。小波变换是一个密度和小波函数的求和。其中小波函数的是这样定义的：SCALE

--Wavelet algorithm 芯位（假定芯区粒子的密度最高） 计算出中心地毯区的每个pad当作 r0时的 f(r。) Max(f(r0)) 簇射的芯位 把6×5个pad作为一组，用每一组pad中最左下角的pad作为r0 来计算。找出最大的pad组后，再在这一组中寻找 的最大值，则对应最大值的pad的中心为簇射的芯位。

第四部分 对芯位重建方法的检验 检验是通过MC方法得到一些事例数据，然后MC给出的芯位与重建的芯位差值，这一个差值分别在不同的添丁角范围、方位角范围

对芯位重建方法的检验 大气簇射模拟 原初粒子 Gamma/Proton 能量(TeV) 0.1-10 模拟事例 100000 天顶角 (度) 7~45 能谱指数 －1.49 强相互作用模型 QGSJET 方位角（度） 0~360 强子能量cutoff(GeV) 0.3 Muon能量cutoff(GeV) 0.3 电子能量cutoff(GeV) 0.015 光子能量cutoff(GeV) 0.015 观测平面高度（m） 4300

对芯位重建方法的检验 ARGO探测器模拟

对芯位重建方法的检验 模拟后得到了27713和14073个 事例和质子事例 用8000个 事例和14073个质子事例来进行检验

对芯位重建方法的检验 事例的能量随击中PAD数的变化（ 事例） ???????

对芯位重建方法的检验 事例的能量随击中PAD数的变化（质子事例）

对芯位重建方法的检验 各种重建方法所需CPU时间( 事例重建 ) centre 8’00“ Wavelet (a=10m) 28’ Tree 32‘ (a=15m) Mtree 31’04’’ (a=20m) 27’42’’ Dtree 31’02’’ (a=25m) (a=5m)

对芯位重建方法的检验 各种重建方法所需CPU时间(质子事例重建 ) centre 12‘ Wavelet (a=10m) 39’53“ Tree 38‘ (a=15m) 39’51“ Mtree 40‘ (a=20m) 43‘’’ Dtree (a=25m) 42’ (a=5m) 39’40“

对芯位重建方法的检验 事例数随方位角的分布 0~30 ~60 ~90 ~120 ~150 ~180 ~210 ~240 ~270 ~300 ~330 ~360 Centre 705 657 645 661 667 649 646 659 648 675 671 706 Tree 708 653 650 656 670 646 647 660 647 679 671 702 Mtree 714 654 646 653 672 646 648 657 645 683 668 703 Dtree 707 653 648 656 674 647 647 658 643 682 670 704 Wavelet(a=10m) 718 653 649 644 675 647 649 664 640 686 664 700

对芯位重建方法的检验 质子事例数随方位角的分布 0~30 ~60 ~90 ~120 ~150 ~180 ~210 ~240 ~270 ~300 ~330 ~360 Centre 1232 1172 1111 1246 1139 1157 1166 1170 1140 1186 1155 1191 Tree 1225 1174 1117 1242 1142 1158 1161 1171 1135 1189 1156 1195 Mtree 1212 1181 1110 1251 1136 1161 1165 1165 1132 1187 1164 1201 Dtree 1230 1177 1110 1249 1139 1157 1160 1173 1141 1187 1151 1191 Wavelet(a=20m) 1217 1169 1109 1255 1138 1152 1172 1163 1136 1182 1171 1201

对芯位重建方法的检验 事例的芯位重建精度随方位角的变化 ?????

对芯位重建方法的检验 质子事例的芯位重建精度随方位角的变化

对芯位重建方法的检验 （a） 簇射 （b） 质子簇射 1 TeV的 -AS和P-AS的次级粒子 在羊八井观测平面处的横向分布

对芯位重建方法的检验 事例数随天顶角的分布 7～10 10～20 20～30 30～40 40～45 7～10 10～20 20～30 30～40 40～45 Centre 450 2111 2574 2221 619 Tree 453 2119 2570 2224 610 Mtree 455 2110 2574 2227 608 Dtree 454 2110 2578 2221 612 Wavelet(a=5m ) 455 2085 2589 2238 609 Wavelet(a=10m) 451 2098 2584 2233 608 Wavelet(a=15m) 451 2111 2573 2233 609 Wavelet(a=20m) 454 2113 2576 2227 606 Wavelet(a=25m) 456 2114 2573 2226 605

对芯位重建方法的检验 质子事例数随天顶角的分布 7～10 10～20 20～30 30～40 40～50 >50 Centre 706   7～10 10～20 20～30 30～40 40～50 >50 Centre 706 3659 4547 3910 1231 12 Tree 701 3661 4561 3902 1228 Mtree 695 3668 4558 3894 1236 14 Dtree 704 3662 4549 3908 1230 Wavelet (a=10m) 690 3645 4583 3882 1247 18

对芯位重建方法的检验 事例的芯位重建精度随天顶角的变化

对芯位重建方法的检验 质子事例的芯位重建精度随天顶角的变化

对芯位重建方法的检验 事例的芯位重建精度随击中PAD数的变化 gamma proton

对芯位重建方法的检验 Scale不同时小波法的芯位重建情况 gamma proton

第五部分 结论及展望

结论及展望 结论 对于 簇射事例 小波法的重建结果最好，精度最高。其次是Mtree方法。 对于质子簇射事例 对于 簇射事例 小波法的重建结果最好，精度最高。其次是Mtree方法。 对于质子簇射事例 小波法的重建结果不是令人满意，这是由于这种平滑算法不能很好地描述质子簇射的横向分布特征。而其它几种方法的重建效果没有很明显的区别。

结论及展望 下一步需要做的工作 考虑到阵列的边缘效应 对于质子簇射事例 更加理想的重建方法 ???????

谢 大 家 感谢张学尧教授的指导！ 感谢各位教授的帮助！ 感谢同学们的支持！