【毕业学位论文】（Word原稿）BESⅢ离线数据处理框架-粒子物理与原子核物理

离线数据处理框架 作 者 姓 名 黄性涛 专 业 粒子物理与原子核物理 指导教师姓名 专业技术职务 张学尧 教授 中科院博士学位论文 录 摘要 . . 符号和简略词 . 第一章 引言 . 粒子物理学的理论基础 . 北京正负电子对撞机与北京谱仪 . 北京正负电子对撞机 . 北京谱仪 . 物理研究目标 16 . 弱电相互作用研究 . 强相互作用研究 . 新物理的寻找 . 面向对象技术与 C+语言 . 面向对象的软件开发技术 . C+程序设计 语言 . 选题背景和论文内容 . 第二章 数据分析软件平台的分析 . 数据获取系统 . 离线数据处理系统 . 数据产生额 . 存储与管理数据 . 要求 . 数据传输对网络速度的要求 . 计算环境 . 离线数据处理软件系统的需求 . 离线数据处理总框架的需求 . 第三章 数据分析软件平台的设计 . 设计和开发的原则 . 数据与算法的分离 . 宿存事例与瞬态事例的分离 . 用户接口程序规范化 . 具有较强的可扩展性 . 具有良好的兼容性 . 具有稳健的强固 性 . 模块设计方式 . 理工具 . 体系结构的设计 . 第四章 数据分析软件平台的实现 . 中科院博士学位论文 数据分析软件平台简介 . 几个重要概念 . 核心系统 . 类 . . . 动态类的加载 . 数据管理系统 . 据管理系统 . 据管理系统 . 输入 /输出系统 . 数据输入 . 数据输出 . 处理系统 . 数据结构 . 事例产生 . 事例处理 . 常用工具 . 用户界面 . . . . . . . . . . 主程序 . 第五章 安装和使用说明 . 安装 . 使用说明 . 编写具体 . 创建 . 生成控制命令文件 . 运行 . 第六章 物理分析工具的设计和开发 . 运动学关系 . 约束条件下的最小二乘法拟合 . 约束条件的确定 . 运动学拟合程序结构 . 的检验 . 中科院博士学位论文 七章 数据分析软件平台应用 . 文件数据库的建立 . 事例模型 . 事例初步选择 . 物理分析程序的实现 . 控制文件 . 结论 . 第八章 展望 . 附录 . 附 A 务器的安装 . 附 B 免费数据库 发 . 参考文献 . 致谢 . 攻读博士期间发表论文 . 中科院博士学位论文 V 中科院博士学位论文 摘 要 北京正负电子对撞机 及其探测器北京谱仪 ，自 1989 年建成以来，已成功地运行了15 年。 在北京谱仪上进行的物理研究实验称为 验 。 1996 年 对撞机 和 谱仪均进行了升级，对撞机仍称为 谱仪则称为 性能有了相当大的改进 。在过去的十多年期间， 验 在 轻强子谱学、粲夸克偶素谱、粲介子衰变性质、 物理、稀有衰变、胶球和其它非纯夸克态寻找等 方面取得了丰硕的 研究成果， 对标准模型 的检验 起着重要的作用 。 目前，国家决定对北京正负电子对撞机和北京谱仪实施升级改造，预计总投资 元，由 级为 级后的北京正负电子对撞机（ 采用双环结构，实施多束团、大交叉角的对撞方式， 峰值亮度达到 1033作性能将比 高 100 倍。为适应 计数率的要求，大幅度提高探测性能、减少系统误差，北京谱仪也将进行全面改造，改造后北京谱仪（ 性能将远远优于 此，利用 以在短时间获取高统计量、高质量的实验数据，使得在 对于粒子物理的研究非常重要。 随着硬件的升级改造，进行数据处理和物理分析的软件系统也必须同时进行升级。为了与世界高能物理实验接轨并共享世界上其它高能物理实验的先进技术、专用工具和软件包，比如 、 ，以利于促进国内、国际高能物理实验室的合作和交流， 线数据处理软件系统必须重新设计和开发。 据分析软件平台是 线数据处理软件系统的主框架，可以将由不同的数据分析人员所开发的软件模块灵活、方便地组成一个整体，以完成诸如事例模拟、事例重建、事例显示、物理分析等数据分析任务。因此， 线数据处理软件系统的一个重要组成部分，是其它软件（比如事例重建软件、物理分析软件等）设计和开发的基础。 中科院博士学位论文 本论文首次采用了面向对象编程技术和 C+程序设计语言设计开发了数据分析软件平台 该平台以 验的数据分析软件平台 基础，同时吸收和借鉴其它数据分析软件平台的先进技术，例如 制以及 数据管理的 制等重新设计开发而成。 目前 用 具管理，具有灵活、兼容、易扩展的特点，支持外部共享库的动态加载功能和运行时用户配置和参数设置功能，并提供了三种读取不同数据类型的工具和一种存储数据的工具，提供了对直方图和处理工具。 据分析软件平台已具备进行离线数据处理的基本功能，并已 被用来进行重建方面的工作。 另外，本论文还进行了物理分析工具的设计和开发工作。根据北京谱仪物理分析中所使用的运动学拟合软件包（ 原理和方法，采用面向对象的程序设计语言 C+开发了一个新的运动学拟合软件包 。该软件包拟合结果与 件包的结果一致，可作为未来 物理分析工具。 最后，给出一个数据分析软件平台 用的实例， 分析 了 第一批 2700 万 /J 数据，测量了 /J 的分支比，检验了数据分析软件平台工作的稳定性和可靠性。 关键词： , 数据分析软件平台 ， , C+语言 中科院博士学位论文 989, in 5 an 996 to a of of ES of an of at At to is a 033is in It is to in a in to a be at of of is of In to of of EP in of be on + Its to a + 科院博士学位论文 is on In to we in as by as of at It It it to do as In on is we a + + be of in In to an /J a 7 /J , C+ 中科院博士学位论文 符号和简略词 结构化程序设计 面向对象程序设计 标准模板库 代码管理工具 统一建模语言 协作版本系统 动态链接库 s 质心能量 中科院博士学位论文 中科院博士学位论文 第一章 引言 粒子物理学的理论基础 粒子物理是探索物质结构的基本组成部分、它们的性质以及它们之间的相互作用规律的物理学前沿学科，由于这种研究需要借助于高能实验手段，因此粒子物理又称为高能物理。 自古以来，人们就想揭示物质结构的奥秘。到了十九世纪初期，形成了分子原子论。 1897 年，汤姆逊在实验中发现了电子，揭示了原子不是“什么不可分割的最小单元”，这标志着人类认识原子结构的开始。 进入了二十世纪，人们在研究原 子和原子核结构的过程中，发现了光子、质子和中子等“基本”粒子，人们的认识开始进入了物质的微观世界。到了 1930年前后，人们主要在原子和原子核物理的范围内认识物质的微观结构：原子是由原子核和一些轨道电子组成的，在电子能级跃迁过程中发射光子；原子核是由一些中子和质子组成的，在原子核衰变过程中，中子变成质子，并发射电子和反中微子。这一理论似乎非常成功，几乎能够解释当时所有物理现象。 但是在 1932年，安德森 (利用云室进行宇宙线研究中发现了带正电荷的电子（即正电子），接着在宇宙线的研究 中又陆续发现了一系列的介子和超子，特别是五十年代以来，世界上建造了许多高能粒子加速器，又发现了更多的正、反粒子和共振态。到目前为止，人们发现了数百种粒子，并开始进入到研究核子内部及其相互作用的阶段，并逐步建立了描述物质基本组分的性质及其相互作用的理论模型：标准模型 1。 根据目前对物质结构的认识，人们找到了组成物质的基本组元夸克、轻子和传播子，确认了强子是有结构的，由更基本的称为夸克的组分组成。又将夸克和轻子分成了三个家族或三代：第一代是上夸克（ u）、下夸克（ d）、电子和电子型中微子；第二代是粲夸克（ c）、奇异夸克（ s）、子和子型中微子；第三代是顶夸克（ t）、低夸克（ b）、轻子和轻子型中微子 ,见 图 1。传播子是传递四种基本自然力的粒子的统称，即光子、中间玻色子、胶子和引力子，它们的性中科院博士学位论文 质如 表 1 所示。 标准模型是描述轻子和夸克的性质、运动及相互作用规律的基本理论，它包括两个部分：一是关于电磁作用和弱作用的统一理论，即电统一理论，该理论又分为描述电磁相互作用 的基本理论 描述弱相互作用的理论；二是揭示夸克内禀性质及其强相互作用规律的理论 电弱统一理论的基本思想是：根据电磁力和弱力的一些相通之处，将同位旋空间中的定域 2( 对称性和超荷空间中的定域 1( 对称性结合起来，让弱作用和电磁作用统一由 1()2( 规范场传递。通过引入对称性自发破缺的希格斯机制，使对称性 1()2( 定域规范不变性破缺到只剩下一个对应电荷的 U(1)缺掉的对称性所对应的三个规范场分量则获得质量，成为中图 1 基本粒子的分类 中科院博士学位论文 间玻色子 W+、 下的 U(1)明是光子。 描述夸克之间强相互作用的动力学理论 量子色动力学（ 一种具有严格色 )定域规范对称性的非阿贝尔（ 论。量子色动力学中的“色荷”，相当于电磁相互作用中的电荷。因为在夸克模型的发展中人们发现，必须给每种夸克加上“红”、“绿”、“蓝”三种“颜色”标志，否则在构造某些强子（参与 强相互作用的粒子）时 违背 量子力学中的泡利不相容原理。强作用力的载体是胶子，将色荷与电荷类比，量子色动力学与量子电动力学不同，胶子也带有色，这一点导致强相互作用力的“渐进自由”性质，即两个带色的粒子间的相互作用力随着它们之间的距离的缩短而减小，以致这些粒子几乎像不受力的自由粒子一样。相反，它们之间分得越开，其相互作用就越强。一旦它们之间的距离达到强子的尺度 10相互作用力就会变的非常大，这种现象叫做“红外奴役”。利用强作用力的这种性质可以解释带色的夸克和胶子为什么总是被禁闭在强子的内部。 标准模型 诞生以来受到了多方的检验，七十年代初，在中微子实验中观测到弱电统一理论的重要预言之一 在 1983 年 作组在实验上发现了弱电统一理论预言的传递弱相互作用的中间玻色子 并测出它们的质量与理论预言相一致。之后，许多实验都在很高的精度内验证了弱电统一理论的正确性，有力地支持了标准模型的基本思想。 表 1 四种相互作用的有关信息 中科院博士学位论文 1975 年 次 4报道了在 7 e+子产生了两喷注结构，实验发现末态强子集中在两个背对背 的锥体内。随后又在4 34 e+储存环 得到证实 5。喷注的产生可以用夸克、部分子模型解释，即 e+过电磁相互作用湮灭为夸克反夸克对，由于色禁闭，夸克反夸克对通过强相互作用劈裂为无色的末态强子，末态强子在一定程度上保持原来夸克的动量方向，分布在沿原动量方向的锥体 内，形成强子喷注现象。喷注实验的发现及其合理的解释表明深度非弹性散射过程中夸克、部分子模型基本思想的正确性。 1979 年 道了在 0近观察到三喷注事件，分析表明这是由另一个电荷为零、自旋为 1 的部分子辐射形成的。在实验上首次观察到 言的胶子存在的迹象，即 。 1982 年 作组 8在 s 为 33 e+撞中发现了四喷注现象，通过对四喷注事件的分析，表明胶子存在自耦合。 1989 年以来， 一些实验组相继投入运行，对标准模型进行了广泛的研究，提供强有力的实验检验。 二十多年来，标准模型中的电弱统一和量子色动力学的 微扰部分（ ,经受住了全世界高能物理领域内大量的实验检验，但是标准模型理论中的十九个自由参数带来的诸多不确定性，它对引力的忽略和不能解释代的成因和质量的起源等一些更基本更深刻的事实本质，如此一系列的问题都需要进一步深入的探究。 北京正负电子对撞机与北京谱仪 粒子加速器是用人工方法产生快速带电粒子束的装置，它利用电磁场将带电粒子束（如电子、正电子、质子等）加速到很高的能量，故称为加速器。 最早的加速器产生于 30 年代初，是物理学家们为了研究原子核和物质深层结构而制造的。对撞机由于其有用能量的优势而成为 提高能量的一种主要的加速器。当前高能加速器正向高能量、高亮度和高精度两个方向发展。 北京正负电子对撞机 的一个实例。 北京正负电子对撞机 北京正负电子对撞机 为研究 1984 年 10 月 7 日破土动工， 1988 年 10 月 16 日完成第一次对撞。它由 202 米长的电子直线加速器和周长为 240 米的储存环组成。 正负电子在直线段被加速到所需要的能量，进行对撞。 同时环上的四个高频图 2 构俯视图 图 3 行结构平面图 中科院博士学位论文 腔不断补充束流，以补偿由于同步辐射造成的能量损失，使束流保持在工作能量。 两个对撞点，实际运行中只有安放在南对撞点的北京谱仪在工作。计为兼用模式，除提供 集数