BESIII MDC 模拟与调试
袁野
2013-07-04
2013年粒子物理实验计算软件与技术研讨会
威海
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


MDC
模拟
调试
未来
总结
BESIII&MDC
BESII MDC
xy= 250m
p/p = 0.6% @1GeV
dE/dx=8.5% p @mip
BESIII MDC
xy=130 m
p/p = 0.5% @1GeV
dE/dx=6% p @mip
模拟
BESIII软件是一个吸收高能物理实验软件发展成果，
从Fortran转向全面基于C++,基于面向对象技术的大
型软件系统
BESIII模拟采用基于Geant4全新构建
BEPCII的亮度比BEPC提高约两个数量级，高统计量和
高精度物理测量目标对模拟的性能提出了高标准的
要求。因此在一开始就确定了在Geant4框架内
尽一切可能贴近真实探测器，减少近似的方针
在几何模拟中传统方法仅构建筒体，
端盖，丝层
采用直接精细构建到
每一个信号单元和每一根丝的方案
新MDC采用小单元，阶梯型设计
结构复杂，精细模拟是一项十分
困难的挑战
28936根丝组成6860个单元
斜丝层单元模拟的困难是传统模拟
不能精确到单元的直接原因

首次引入尚处于发展中的TwistTub模型成功解决斜丝层单元
构建的困难，使得模拟中粒子定位更准确，更接近真实数据
国际上最早实际应用此模型的合作组之一，与作者直接合作
发现并解决一系列存在的问题，促成该模型被Geant4正式采用

在单元中构建出所有场丝和信号丝，
取代将丝物质平均入气体的传统方法
模拟中粒子与漂移室物质的相互作用
更加符合实际物理过程，dE/dX更准确
为提高BESIII模拟系统整体性能，不仅模拟
MDC内部，对外部结构也精确模拟


MDC端盖外部结构复杂，物质种类繁
多，包括前放电子学板，电缆，屏
蔽板，支撑结构等
经过极大努力，精确完成对外部物
质模拟

对端盖外物质模拟准确，显著提高BESIII模拟整体性能
EMC
实践证明，对探测器几何的精确模拟对模拟性能影响
重大。由于采取了尽量减少近似的方案，
MDC模拟和数据的差异在取数一开始就减小到2%，
和BESII的水平相当。
漂移室模拟与数据的差别是系统误差的主要来源之一
调试
在精细几何模拟的基础上，如何使得模拟与数据达成一致，
需要对重建与刻度的过程有清晰的了解，对数据的状态有
深入的理解并对模拟进行细致的调试
基于精细的模拟，尽量从物理基本原理出发，多方尝试，采用
一系列新方法
 中间击中数据输出输入
 双高斯残差分布弥散
 引入击中效率
 随机触发本底混合
wire efficiency
Definition: the eff. of a hit been recorded into raw data
1, Do reconstruction without one layer
2. Use reconstructed helix find out
expected hit position with this layer, get
cell no. and doca
3.Check the expected hits with the real
digits from the rawDataProviderSvc, get
efficiency
4.Repeat above process to all 43 layers
Double Gaussian
Single
Double

通过上面的方法，模拟数据与重建一致性差异1%
Tacking efficiency for pions
Difference between
data & MC

但是分辨率差异比较大而且无法继续减小差异，通过
多方面的研究探索，我们提出了将击中点分类的新思路
在所有击中点中只有那些重建最终留下的点才对重建径迹
的质量有贡献
Tune raw hit efficiency
Tune raw hit efficiency
Tune residual distribution of all hits
real
data
fitting of
hitOnTrk
13
Change to
Tune ratio of hits on track
Tune residual distribution of hit used in fit
N hitOnTrk
ratio 
N hitTrkPass
simulation
result
Tracking efficiency versus Pt for all part (cos<0.93)
(data)/(MC)-1
J/yrp
Pt (GeV/c)
Pt (GeV/c)
击中点分类的方法不仅达到了更好的符合效果~0.5%，
而且调试的过程也更高效
Momentum resolution
J/y  pp
• Momentum
resolution
improved in 663
• MC is more
consistent with
data
data
Data
MC
 (MeV)
663data
663MC
655data
655MC
p
7.83
7.69
8.30
7.38
p
7.89
7.67
8.34
7.43
The new method really help, improved much than before
15
未来

低动量的符合度明显比高动量区间差
这与调试中使用高动量的e，muon有关，
需要基于低动量的径迹样本进行调试改进

我们已知在一些地方存在没有解决的差异
近丝区的分布形状
远丝区的X－T关系不唯一
双击中的泄漏
进行了一些相关研究，但还没有找到有效的方法
需要进行更深入的探索
Fit function
Track
Residual distribution close to wire
is asymmetryic
cluster
Wire
The real function should be
a gaussian convolution poisson
as from CLEO’s experience
X-T puzzle
Data X-T plots have split and twist at close boundary area
Make it not a one-to-one map as we used
Can we divide cell area, use different x-t relations for each area?
Double hits
The nonhomogeneity of the magnetic field at the
edge of the cell results in the appearance of hit in
the neighbor cell without a track passing.
总结
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
对几何的精确构建和对数据的深入理解
是提高模拟性能的基础
BESIII MDC精细的模拟和调试取得了很
好的效果
仍然存在着没有理解的地方，未来将继
续致力于性能的不断提高
关于图形化快速几何构建的想法
Geant4的几何构建是完全基于C++编程，入门费时，
不直观，效率不高
当今软件发展的趋势是图形化，描述性，傻瓜化
比如：
Geek们钟爱的linux命令行界面完全抵挡不住图形化的
日益壮大，linux越来越象windows
各种中间件软件蓬勃发展，LabView
FLUKA
Fortran 时代软件的新生
G4Beamline
基于Geant4的高效束流模拟



BESIII将GDML引入，实现了数据共享
基于ROOT和GDML的图形化操作单事例显示，在离线与
在线数据跟踪和物理分析中均发挥重要作用
图形化直接显示底层数据，
极大的提高算法分析跟踪效率
GDML格式与Geant4和ROOT的接口已经完善，
但本身并没有产生工具
Geant4编程 GDMLWriter
增加了工作量
GDML文件
直接编辑产生GDML文件的工具：
基于QTRoot的图形界面，直接使用root的图形显示；
解析GDML文件，图形化编辑并实时显示
适合各种实验的快速几何构建和调试，欢迎有兴趣
的参与发展
谢 谢！