刘春秀 （高能所实验物理中心） 2010-04-19 中国高能物理大会--南昌 BESIII EMC 事例重建与刻度 刘春秀 （高能所实验物理中心） 2010-04-19 中国高能物理大会--南昌 接下来，我给大家讲BESIII CsI晶体量能器的刻度与重建

主要内容 BESIII CsI晶体量能器(EMC)简介 EMC事例重建 EMC CsI晶体单元绝对能量刻度 总结 簇射能量和位置重建 簇射位置和能量修正 TOF能量重建,它是EMC重建算法的补充 利用EMC时间信息去除束流本底 EMC CsI晶体单元绝对能量刻度 总结 主要内容包括， BESIII电磁量能器简介， 电磁量能器重建 电磁量能器能量刻度 单块晶体能量刻度 簇射能量修正

BESⅢ―CsI(Tl)晶体量能器的功能与指标 电磁量能器(EMC)在BESⅢ中占有十分重要的地位，基本功能是测量γ光子和电子的能量和位置信息及穿过量能器的其它带电粒子的沉积能量。 1. 测量γ光子的能量覆盖范围为：20 MeV－2 GeV，重点能区低于500 MeV。 2. 能量分辨: （BESII 20％@1GeV) 3. 位置分辨： （BESII 3cm@1GeV） 4. 提供中性（γ）能量触发。 5. 在能量大于200MeV的区域具有良好的e/π分辨，和具有良好的双γ角分辩能力。 6．晶体探测单元的电子学噪声水平小于220KeV。

BESⅢ―CsI(Tl)晶体量能器的几何结构 Barrel: 120x44=5280 w:21.6t Endcaps: 2x(96,96,80,80,64,64) =960 w: 4t Total: 6240 w: 25.6 t BESIII EMC特有的支撑结构： 桶部和端盖晶体均以吊挂方式固定在支撑架上

CsI晶体量能器事例重建

CsI(Tl)晶体量能器事例重建 重建原理: 电磁簇射在晶体中发展，把能量损失在一系列相邻的晶体中 寻找相邻的晶体，进而计算出入射粒子的总能量和击中位置

Shower energy correction Particle’s Energy(E) Raw data ADC (Elec. Calib. Applied) conversion absolute constant Energy(Ei) clustering Bhabha Calib. DataBase Shower Energy(E) Correction 0 Calib. Rad. Bha. Calib. TOF Energy Shower energy correction or e+e- Calib. at high energy    c ( J/) at low energy 初始刻度常数来自相对光产额测量和无束流宇宙线刻度 EMC 事例重建流程 Emc刻度流程图 从数据库中读取单块晶体的能量刻度常数，将ADC转换成沉积能量。 单块晶体的初始刻度常数来自于实验室的相对光产额测量和无束流宇宙线刻度。 在簇团寻找过程中，重建簇射能量和位置。 利用对撞物理事例，Bhabha事例对单块晶体能量做精确刻度。 然后利用已知光子能量的物理过程对簇射能量做修正。 可以用pi0事例刻度、单光子辐射Bhabha事例、， 在高能区还可以用e+e- ， 在低能区，用   c ( J/) 。 最后重建出粒子能量 由于辐照损伤等原因，晶体的光产额和光输出不均匀性随时间发生变化，因此需要经常利用bhabha事例做晶体能量刻度。

重建算法流程 digit hit cluster shower 晶体能量刻度 能量簇团寻找 能量簇团劈裂 量能器重建算法的流程，首先通过刻度服务，将晶体的ADC信息转换为真实的沉积能量；再根据晶体编号，用迭代法寻找能量簇团；然后在能量簇团中寻找种子，并且根据种子的数目和簇团的形状将簇团劈裂为一个或多个簇射；最后计算簇射的能量和位置并进行修正。

簇射寻找 能量簇团(Cluster)寻找: 一系列能量沉积大于某个阈值的相邻晶体的集合。 寻找种子：沉积能量的极大值 能量簇团劈裂多个簇射 种子数目=1, cluster=1个shower，对应一个入射粒子 种子数目=m, m>1, cluster=m个shower，对应多个入射粒子 通常出现在高动量π0形成的簇团或强相互作用形成的簇团中 能量簇团劈裂多个簇射 1GeV光子形成的能量簇团 在能量簇团寻找的算法中，定义相邻的晶体是非常重要的，并且跟几何结构关系密切。对于桶部量能器，每一块晶体有八个邻居； 而对于端盖量能器，由于每层晶体数目不完全相同，晶体的邻居数也不一样，这是端盖一个扇区的晶体排列，其中带○的晶体就有七个邻居。 1.5GeVπ0形成的能量簇团

簇射能量 把簇射中包含的所有晶体能量求和，就得到了簇射的能量EAll 。不过参与求和的晶体数越多，包含进来的噪声也越多，这样会降低能量分辨。 由于电磁簇射能量沉积比较集中，通常表示为种子周围9块晶体能量求和E3×3 ；或25块晶体能量求和E5×5。 具体用E3×3还是E5×5要根据噪声的水平来选取。 如果该簇射是由一个能量簇团劈裂而来的，参与求和的晶体能量还需要乘以对应的权重。 把簇射中包含的所有晶体能量求和，就得到了簇射的能量。不过参与求和的晶体数越多，包含进来的噪声也越多，这样会降低能量分辨。由于电磁簇射能量沉积比较集中，通常表示为种子周围9块晶体能量求和；或25块晶体能量求和。具体用还是要根据噪声的水平来选取。如果该簇射是由一个能量簇团劈裂而来的话，参与求和的晶体能量还需要乘以对应的权重。

簇射位置 加权平均 线性权重 对数权重 位置修正 修正粒子打到晶体表面不同位置带来的偏差 用bhabha事例，根据漂移室的径迹外推信息进行修正 修正公式： 线性权重 对数权重

（a）线性权重，修正前；（b）线性权重，修正后； （c）对数权重，修正前；（d）对数权重，修正后。

簇射能量修正 原因: 量能器前物质能损 晶体侧边、尾端的能量泄漏 簇射能量≠ 入射粒子能量 目的：沉积能量修正到粒子的真实能量 方法：选用已知光子能量的物理过程 MC: 单光子 数据: 能量范围 40MeV-1.0GeV π0 →γγ （简称π0刻度） 数据: 能量范围 0.5GeV-1.5GeV e+e- → e+e-γ（简称辐射Bhabha刻度） 高能区e+e- 双光子事例 Because of leakage and front material, the shower energy don’t equal to the incident energy of photon. So a correction is needed. In MC, this procedure is straightforward because we know the incident energy of each single photon. In Data, below 1GeV pi0 calibration is used and radiative bhabha can calibrate energy greater than 0.5GeV.

簇射能量修正 具体操作： 首先用MC单光子刻度簇射能量(,E)依赖, 然后用高能区e+e-数据刻度簇射能量()依赖， 最后用 0 数据刻度不同能区簇射能量。 利用cJ/（）和 e+e- e+e-过程检查光子重建性能 EMC桶部的能量分辨 p0 signal in inclusive DATA/MC DATA/MC 能量分辨达到2.4%@1GeV （对于光子）。

电磁量能器前物质对其性能的影响 EMC前有30% 辐射长度的物质，其中TOF占的比重最大 TOF上的能损延伸到几百个MeV，这将使能量分辨和探测效率变差 Energy loss in TOF for 1GeV photons

TOF沉积能量重建并与EMC匹配（BESIII首创） 方法：用e+e- +- 事例刻度单根闪烁体能量和击中位置，将重建TOF沉积能量与量能器簇射匹配，并将该能量与EMC簇射能量相加，簇射能量修正后，得到重建光子能量。 结果： 对高能双光子事例能量分辨提高8%， 低能量(<0.8GeV)光子探测效率提高～6%, 0重建效率提高12%。 MC和数据符合的很好 TOF能量重建是EMC重建算法的补充，提高了低能光子的探测效率，改善了高能光子的能量分辨。

Calibrate TOF energy using EMC outer TOF inner Calibrate TOF energy using di-mu events; add the TOF energy into the EMC shower energy to reconstruct photon energy IP 17

e+e- e+e- 和 cJ/（）过程中光子探测效率 Solid-Without TOF, circle-With TOF Photon efficiency increased significantly when E<0.8GeV

y’p0p0J/y 中p0的探测效率 MC efficiency improvement MC efficiency Mgg (0.12-0.145GeV) ~12% circle: without TOF energy dot: with TOF energy DATA efficiency DATA efficiency improvement ~12% circle: without TOF energy dot: with TOF energy p0 efficiency increase about 12% in low energy range

利用EMC时间信息去除束流本底（BESIII首创） BESIII与其它国际上CSI晶体探测器不同，它除了有幅度信息ADC输出，还有时间信息TDC输出。利用EMC时间信息可以部分去除随机产生的束流本底。 方法: 用 0 0 J/， J/  l+l- 过程选择低能光子样本。比较好光子与假光子（来自随机触发本底）时间信息，即比较真、假光子的EMC时间减去事例起始时间。 结果： 低能下(<0.3GeV)束流相关本底排除率达到～75%。

物理光子的时间信息分布 (y’p0p0J/y，J/yee,mm ) EMC时间伴随不同的触发有不同分布 事例起始时间 束流本底引起的假光子的时间 m e EMC时间减事例起始时间随能量的变化 EMC时间减事例起始时间的分布

利用EMC时间减事例起始时间排除束流本底前后的假光子(y’p0p0J/y ) Barrel Fake photon before Time cut Endcap Fake photon after Time cut True photon DATA DATA 利用EMC时间减事例起始时间可以提高低能量下假光子的排除率 光子选择条件可设为10几MeV

单块晶体绝对能量刻度

单块晶体绝对能量刻度 将ADC道数转换成能量 其中 ADCi 经过了减台阶和电子学刻度 ，ci 是CsI晶体的绝对能量刻度常数 晶体探测单元安装之前，没有做绝对能量刻度 实验室只给出了晶体相对光产额的测量 利用无束流的宇宙线数据做首次的刻度

宇宙线数据刻度原理 事例筛选 EMC背对背 能量大于10MeV的CsI晶体只有两块 Cosmic ray 宇宙线数据刻度原理 事例筛选 EMC背对背 能量大于10MeV的CsI晶体只有两块 由于BESIII探测器获取的宇宙线主要是子，它的动量基本上大于1GeV， 在CsI晶体中的能量沉积可以认为与它在晶体中穿过的长度成正比 对每块晶体检查沉积能量分布 首先用相对光产额数据刻度 刻度常数 然后与蒙特卡罗数据比较 CiMC=能量平均值(MC)/能量平均值（data） 对每块晶体宇宙线刻度常数为 Cicosmic= Ci光产额 x CiMC dE/dx of cosmic ray in CsI crystal

Bhabha事例刻度 无束流宇宙线刻度只能给出一个比较粗的初始刻度，更精确的刻度必须用对撞的物理事例完成。 晶体有不同的光产额和不同的光输出不均匀性，由于辐照损伤等原因，光产额和光输出不均匀性随时间发生变化，因此必须经常对单块晶体做能量刻度。 采用Bhabha事例做刻度，得到更精确的晶体单元绝对能量刻度常数。

Bhabha 刻度原理 构造 2 ： 其中 Ee(,) ：电子或正电子的运动学能量 f (Ee,, ) ：沉积在EMC中的能量比分 11mrad 构造 2 ： 其中 Ee(,) ：电子或正电子的运动学能量 f (Ee,, ) ：沉积在EMC中的能量比分 Ekexp ： 预期能量 , (,) ：能量分辨 i — 晶体编号 k －shower编号 gi－i块晶体的刻度常数 目前f &  由模拟数据给出 求2 最小，可以给出如下的矩阵方程： Q 是6240阶稀疏矩阵 如果积累足够统计量的Bhabha事例，我们可以通过求矩阵反演得到所有晶体的刻度常数 用稀疏矩阵软件包 (SLAP )求解矩阵方程.

晶体刻度常数随时间的变化反映了晶体辐照损伤情况 1.843GeV 桶部 e5X5 能量分辨2.3% boss651 端盖 e5X5 能量分辨4.2% Bhabha刻度结果： 能量分辨：桶部2.3%@1.843GeV 位置分辨：桶部～5mm@1.843GeV 模拟和数据符合的很好 晶体刻度常数随时间的变化反映了晶体辐照损伤情况 对撞取数阶段辐照较小 加速器机器研究时辐照程度大一些 1.843GeV 位置分辨(boss651) Barrel East Endcap West Endcap  MC 4.6mm 5.6mm Data 4.5mm 6.0mm 5.9mm  4.7mm 6.8mm 5.1mm 7.6mm 7.2mm 3.7-3.27 Psip 4.2-4.14 Psip 5.25-6.2 3.65GeV 6.7-7.2 Jpsi Machine study 晶体刻度常数平均值（ 相对于3月7日至11日的刻度常数）随时间的变化。

总结 BESIII晶体量能器运行状态很好，性能稳定。 BESIII EMC已经达到了设计/验收指标 蒙特卡罗模拟和数据符合很好 能量分辨 2.5%@1GeV 位置分辨 6mm@1GeV EMC重建刻度软件已经成功的处理了BESIII 采集的所有数据

谢谢各位