Алгоритмы и программное обеспечение для реконструкции треков в детекторе переходного излучения и в мюонной системе эксперимента СВМ

• Автор: Лебедев, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 97 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Эксперимент СВМ.

1.1. Физическая программа эксперимента.

1.2. Установка СВМ.

1.3. Детектор переходного излучения .

1.4. Мюошгая система

1.5. Моделирование, реконструкция и анализ событий

Глава 2. Обзор методов реконструкции треков

2.1. Введение

2.2. Методы
2.3. Выводы
Глава 3. Реконструкция треков в эксперименте СВМ.
3.1. Введение
3.2. Фильтр Квлмана
3.3. Экстраполяция треков .
3.4. Поиск треков
3.5. Программная реализация
3.6. Результаты
3.7. Выводы
Глава 4. Применение параллельных вычислений для реконструкции треков в эксперименте СВМ.
4.1. Введение
4.2. Адаптация алгоритмов для параллельных вычислений
4.3. Обзор методов и технологий.
4.4. Распараллеливание алгоритма реконструкции треков.
4.5. Программная реализация.
4.6. Результаты.
4.7. Распараллеливание на уровне событий
4.8. Выводы.
Заключение.
Литература


В детекторах TRD и MUCH координатные плоскости чередуются со слоями вещества, предназначенного для получения переходного излучения от пролетающих через них электронов (радиаторы в детекторе TRD), или поглощения адронов (абсорберы в детекторе MUCH). Большая множественность вторичных частиц в каждом соударении (до ), летящих в узком полярном угле (°), наличие большого количества вещества в исследуемых детекторах и неоднородность магнитного ноля осложняют задачу и требуют существенного развития известных и разработки новых методов и средств реконструкции треков, способных эффективно, и стабильно работать в таких условиях. Реализация целей эксперимента СВМ невозможна без сбора и обработки огромного потока данных, получаемых в соударениях частиц, происходящих с частотой до МГц. Однако большинство используемых в настоящее время алгоритмов и программного обеспечения для реконструкции треков рассчитаны па их выполнение в скалярном одиопоточном режиме, что при применении современных многоядерных процессоров является малоэффективным. Таким образом, дальнейшее развитие алгоритмов трекинга и их распараллеливание является актуальной проблемой, имеющей существенное значение для повышения эффективности работы установок в экспериментах но физике высоких энергий (ФВЭ). Цель диссертационной работы состоит в разработке, тестировании и практическом внедрении быстрых и эффективных алгоритмов и программного обеспечения для реконструкции траекторий заряженных частиц в детекторе переходного излучения TRD и мюонной системе MUCH эксперимента СВМ. CBM — СВМROOT и выполнение моделирования и тестирования алгоритмов в CBMROOT. Научная новизна. Для координатных детекторов с большим количеством вещества и сложной геометрией, работающих в условиях большой множественности треков и высокой плотности отсчетов, разработай оригинальный подход к реконструкции треков, основанный на методах слежения по треку и фильтра Калмана. Показано, что для детекторов TRD и MUCH алгоритмы, реализованные в рамках такого подхода, обеспечивают высокую эффективность и точность реконструкции треков. Разработана быстрая процедура для трассировки заряженных частиц через установку СВМ, которая в несколько раз превосходит по быстродействию хорошо известный аналог — подпрограмму GEANE из пакета GEANT3 — и позволяет распараллелить алгоритм слежения по треку. Предложены новые решения по оптимизации и распараллеливанию процедуры реконструкции треков, которые позволили существенно ускорить алгоритмы распознавания и оценки параметров треков. Эти решения основаны на новом способе поиска отсчетов, на более простом описании геометрии детекторов и аппроксимации магнитного поля, а также оптимизации кода программ. В рамках предложенных решений, с использованием векторизации и многопоточности на основе фильтра Калмана и метода слежения по треку разработан быстрый параллельный алгоритм, позволяющий проводить реконструкцию треков в исследуемых детекторах в режиме реального времени. Разработан оригинальный алгоритм отбора треков из всего набора треков-кандидатов на выходе процедуры распознавания, позволяющий исключить ложные треки на основе предложенного автором критерия качества треков. Проведена оптимизация структуры детекторов TRD и MUCH, включая разные типы детектирующих элементов, на основе критериев эффективности и точности восстановления треков. Достоверность и обоснованность результатов , полученных в диссертации, подтверждена моделированием методами Монте-Карло с применением широко известных моделей и программ, таких как UrQMD [2], GEAiNT [3] при использовании реалистичных параметров детекторов, а также при применении разработанного программного обеспечения членами коллаборации СВМ для физического анализа и методических исследований. Научная и практическая значимость. Разработанный автором оригинальный подход по реконструкции треков заряженных частиц для координатных детекторов с большим количеством вещества и работающих в условиях большой множественности частиц имеет самостоятельную научную ценность и может быть использован в других экспериментах в области физики высоких энергий.