besⅢ 电磁量能器研究进展

BESⅢ 电磁量能器研究进展

第十界全国粒子物理学术会议南京 2008.4.27

王志刚

报告内容 BESⅢ 电磁量能器的结构介绍

BESⅢ 电磁量能器低动量 粒子鉴别的研究

CsI(Tl) 电磁量能器的物理目标介绍

(1)  测量 γ 光子的能量覆盖范围： 20 MeV－ 2 GeV 。低于500

MeV 的能量为重点区域(2)   能量分辨率达到： E/E ≤ 2.5 % / (E( GeV))1/2

(3)  电磁簇射的位置分辨 :σx， y ≤ 6 mm / (E(GeV))1/2 (4)  提供中性（ γ ）能量触发(5)  在能量大于 200 MeV 的区域具有良好的 e/π 分辨(6)  每块晶体读出电子学的等效噪声能量小于 220KeV 。

CsI(Tl) 晶体量能器的结构介绍

Barrel: 120x44=5280 w:21.6 t

Endcaps: 2x(96,96,80,80,64,64) =960 w: 4 tTotal: 6240 w: 25.6 t

晶体组装结构：采用无缝隙吊挂的方式

优点： 减少了晶体间非灵敏物质

CsI(Tl) 晶体量能器的结构介绍 晶体探测单元的结构

CsI(Tl) 晶体量能器的结构介绍

低动量 粒子鉴别的研究 对撞物理中， 子的测量具有极其重要的作用。在 粒子的发

现中， 的截面测量是重要的证据之一； BES 上 轻子质量 的精确测量也是主要通过 测出的。至于 对撞物理

中的一般物理问题的研究，由于其末态产物中或者直接包含 子， 或者其末态产物总是会衰变出 子，故 总离不开 子的测量。

在一些重要的物理上，尤其是在一些稀有衰变道如 的测量上 分辨的好坏直接影响到本底的扣除、信号的统计显著性，以及最后物理结果的精度。

ee /J ee

4 eee ee

000 ,DD

低动量 粒子鉴别的研究 由于这两种粒子的质量很接近，基本上无法使用飞行时间（ TOF ）

和能量损失（ dE/dx ）信息来判别。通常利用最小电离粒子 的高穿透性，在整个谱仪的最外层放置单独的 子探测器，如北京谱仪BESⅢ 上的 探测器来鉴别 子。

动量为 400MeV 的 穿过 TOF 的飞行时间差大约为 70ps, 小于 TOF 的分辨率

/

低动量 粒子鉴别的研究

BES muon Ⅲ 探测器 μ 的分辨效率和 π对 μ 的污染随动量的变化情况

BES muon Ⅲ 探测器鉴别 μ 的最低动量为400MeV ，低于此动量的 μ 由于在 1tesla磁场的作用下，偏转曲率较大，在量能器中沉积很大一部分能量，击中 Muon 探测器的几率很小，故BES muon Ⅲ 探测器无法对低于 400MeV的 π － μ 进行鉴别。

低动量 粒子鉴别的研究

质心能量分别为 3.37,3.77,4.14GeV/c 的 对撞中 、 D 、 衰变末态 子的动量分布

ee sD

BES muon Ⅲ 探测器无法对这部分低动量的 μ 进行鉴别

低动量 粒子鉴别的研究

6×6 晶体阵列束流实验安排

混合束束流实验p/

晶体阵列侧面图

入射束流 入

射束流

低动量 粒子鉴别的研究

混合束束流实验结果p/

能量沉积分布 p 能量沉积分布

单根晶体对强子的 dE/dx 分辨率可达到5%

低动量 粒子鉴别的研究

低动量的 在 1 tesla 磁场的作用下，偏转曲率比较大，会在量能器中穿过多块晶体，同时量能器对强子的 dE/dx 分辨率很好，所以设想利用量能器进行这一动量范围的

鉴别，希望能对 BESⅢ 上现有的粒子鉴别范围起到一个补充的作用。

低动量 粒子鉴别的研究

事例模拟： 为了研究 在电磁量能器中的行为，在

BESIII 软件系统 BOSS （ BES Offline Software System ）下进行了事例的模拟、重建，探测器模拟是以 GEANT4 为基础的。利用 tester 产生子对400MeV－ 200MeV 动量段的 每隔 50MeV进行单粒子入射事例的模拟，模拟事例数均为5000 。模拟结果经过重建程序进行事例重建。

低动量 粒子鉴别的研究

原理：对两类不同的粒子，由于其物理特性的差异，它

们在介质中的行为亦会有所不同。比如，作为强子的 介子，在介质中将会发生核作用，产生多重次级粒子。而作为轻子的 与相同介质的作用较 介子则小得多。这两类粒子在同一介质中的总能量损失、产生的次级粒子总数及能量分布形式等均会表现出一定的差别。

低动量 粒子鉴别的研究判别变量的选择：在对模拟结果进行了仔细分析之后，找到了多个可以用来做判选的变量，比如：

在量能器中沉积的总能量 在多块晶体中的平均能量二次矩 , 其中 为在第 i 块晶体中沉积的能量

晶体击中数

i i

i ii

E

dES

2

id

iE

0

430 1190

为第 i 块晶体与重建出来的簇团中心位置的距离。二次矩的思想最早是在晶体球实验中被提出并用来区分由 和 产生的簇团。在此处计算晶体之间的距离时并没有用晶体的实际位置，用的是晶体在 、 方向的编号（ ， ）。

低动量 粒子鉴别的研究

在量能器中沉积的总能量

400 MeV 350 MeV 300 MeV 250 MeV 200 MeV

低动量 粒子鉴别的研究平均能量

400 MeV 350 MeV 300 MeV 250 MeV 200 MeV

低动量 粒子鉴别的研究二次矩

400 MeV 350 MeV 300 MeV 250 MeV 200 MeV

i i

i ii

E

dES

2

低动量 粒子鉴别的研究

晶体击中数

400 MeV 350 MeV 300 MeV 250 MeV 200 MeV

低动量 粒子鉴别的研究

其他可以用来做鉴别的变量：相邻几块晶体中沉积能量的关系沉积能量与入射粒子动量的关系入射粒子在晶体中的实际径迹与由漂移室

外推径迹的符合程度粒子入射主径迹周围晶体沉积能量的情况 以上这些变量我们还在进一步的研究

低动量 粒子鉴别的研究 初步结果：

对前三个变量选择合适的阈值，进行判选，得到右图的结果：

在保持大约 70％的 的判选效率时，

的误判率可以控制在 10％以内。

400MeV 350MeV 300MeV 250MeV 200MeVCut1 <25 <22 <18 <15 || >60 <8 || >50Cut2 <150 || >340 <130 || >285 <160|| >250 <100 || >195 <35 || >145Cut3 >8 >7 >7 >10 >20

低动量 粒子鉴别的研究下一步工作：

对一些尚未仔细研究的变量做进一步的分析。同样的想法可以应用到高动量的 鉴别中。

k/

一层和双层 TOF的 K/ 分辨能力