（粒子物理与原子核物理专业论文）基于geant4的argo实验探测器模拟程序.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 无论在加速器高能物理还是在宇宙线高能物理的研究中，探测器都是实验的载体， 是发生实验现象和产生实验数据的地方，因此，在高能物理实验模拟工作中，探测器 的模拟是致关重要的，模拟后的探测器的工作情况的好坏将直接影响模拟实验数据。 位于西藏羊八井的a r g o 宇宙线观测站的广延大气簇射地面探测实验采用了由阻 性板记数器( r e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r ，l 心c ) 所组成的“地毯式 探测器阵列，具有 高的覆盖率和很好的时间、空间分辨率的特性，可以对到达阵列的e a s 粒子的时间和 空间分布进行较为细致的测量。其实验目标是利用当地良好的自然条件以及高海拔地 区优势等研究小范围内的大气簇射现象，进而研究如宇宙线粒子，y 暴天文，寻找河 内、外源，在t e v 量级上分析宇宙反质子丰度等一系列基本问题。高海拔和全覆盖技 术使得a r g o 阵列具有探测小空气簇射的能力，使其探测阈能可达到约i o o g e v ，其探 测器能区可以与卫星实验相衔接，并且覆盖了卫星实验和地面切伦科夫望远镜实验之 间的能区空白。 在过去几年，a r g o 探测器的模拟是基于g e a n t 3 完成的并命名为a r g o g ，g e a n t 3 是采用f o r t r a n 语言开发的探测器模拟软件，也曾被广泛的应用于众多的高能物理实 验。但随着面向对象的c + + 编程语言的逐渐发展和被广泛应用，人们意识到，可以基 于c + + 开发出另一种模拟软件包来模拟高能物理实验的探测器，这个模拟软件包就是 g e a n t 4 。 本文首先介绍了基于c + + 开发的g e a n t 4 软件包以及如何使用g e a n t 4 模拟简单的 探测器，主要工作是采用基于c + + 开发的g e a n t 4 软件包来模拟a r g o 实验探测器， 并通过试运行来测试模拟后的探测器能否达到预期的功能和目标。模拟过程中将 a r g o 实验探测器分成了相对相互独立的几个模块，不同的模块之间由接口程序来实 现联接，为了能够读取由c o r s i k a 模拟产生的e a s 模拟数据，在本程序的事例产生 模块中建立了一个接口程序并命名为“a g 4 c o r s i k a i n t e r f a c e 。程序中各个模块分别为： 运行控制参数管理模块、几何信息管理模块、探测器阵列构造模块、事例产生模块、 灵敏探测器模块、击中信息数字化模块、触发判选模拟模块和模拟事例输出模块等。 运行时要先由事例产生模块中的a g 4 c o r s i k a i n t e r f a e e 读取由c o r s i k a 产生的模拟数 山东大学硕士学位论文 据( 主要是e a s 粒子的信息) ，当模拟后的粒子进入探测器内部，将和探测器内的物 质发生相互作用，探测器内部的灵敏探测器将被击中并产生击中信息，记录这些击中 信息并将其数字化，然后数字化的击中信息被触发判选模块读取，之后由事例输出模 块输出这些事例信息。 通过对特定事例的试运行和对模拟结果与实验数据的对比，我们发现采用g e a n t 4 模拟的探测器模拟结果与实验数据是基本一致的，本工作基本达到了预期的目标。 关键词：g e a n t 4 ，a r g o 探测器，模拟程序 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e g a r d l e s so fi nt h ea c c e l e r a t o rh i 曲e n e r g yp h y s i c so ri nc o s m i cr a y sh i g he n e r g y p h y s i c sr e s e a r c h , t h ed e t e c t o ri sc a r r i e r o ft h ee x p e r i m e n t ，w h e r et h ee x p e r i m e n t a l p h e n o m e n o nh a p p e n sa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t ap r o d u c e s t h e r e f o r e ，d u r i n gt h es i m u l a t i o n w o r ko ft h eh i g he n e r g yp h y s i c se x p e r i m e n t ，t h ed e t e c t o rs i m u l a t i o ni se s s e n t i a la n dc r u c i a l ， a n dt h e nt h es i m u l a t i o nd e t e c t o rw o r k i n gc o n d i t i o nq u a l i t yd i r e c t l yw i l la f f e c tt h es i m u l a t i o n d a t ao fe x p e r i m e n t t h ea p p a r a t u so fa r g oc o s m i cr a y so b s e r v a t i o ns t a t i o nl o c a t e da ty a n g b a j i n gi nt i b e t c o n s i s t so faf u l lc o v e r a g ea r r a yo fr e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r i th a sh i g hc o v e r a g ef r a c t i o n a n dv e r yg o o dt i m ea n ds p a t i a lr e s o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c i tc a nm a k eam o r ed e t a i l e ds u r v e y o nt h ea r r i v a lt i m ea n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ee a sp a r t i c l e st h a ta r r i v et h ea r r a y i t s e x p e r i m e n t a lg o a li st os t u d yt h ea i rs h o w e rp h e n o m e n o ni nt h es m a l ls c o p eu s i n gt h eg o o d n a t u r a lc o n d i t i o na sw e l la st h eh i g he l e v a t i o na r e as u p e r i o r i t yo ft h a tl o c a la r e aa n ds oo n ， t h e nt om a k ef - u f f l l l e rr e s e a r c ho ns u c has e r i e so fb a s i cq u e s t i o n sa sc o s m i cr a y s ，t h e ， s t o r ma s t r o n o m y , a n ds oo n t h eh i g he l e v a t i o na n dt h ef u l lc o v e r a g et e c h n o l o g ye n a b l et h e a r g oa r r a yt oh a v et h ea b i l i t yt od e t e c tt h es m a l la i rs h o w e r i t st h r e s h o l de n e r g yo f d e t e c t o ri sp o s s i b l et oa c h i e v ea p p r o x i m a t e l y10 0 g e v i t se n e r g yr e g i o no fd e t e c t o rc a nl i n k u p 、 r i t l lt h es a t e l l i t ee x p e r i m e n t a n di th a sc o v e r e dt h ee n e r g yr e g i o nb l a n kb e t w e e nt h e s a t e l l i t ee x p e r i m e n ta n dt e l e s c o p ee x p e r i m e n t i np a s ts e v e r a ly e a r s ，t h ea r g od e t e c t o rs i m u l a t i o nw a sc o m p l e t e db a s e do ng e a n t 3 a n dn a m e da sa r g o - gg e a n t 3i sak i n do fd e t e c t o rs i m u l a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p e db a s e d o nt h ef o r t r a nl a n g u a g e i ti sa l s o w i d l ya p p l i e di nm u l t i t u d i n o u sh i g he n e r g yp h y s i c s e x p e r i m e n t s b u ta l o n g 、柝t ht h eg r a d u a l d e v e l o p m e n ta n dw i d l ya p p l i c a t i o n o f o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ec + + ，p e o p l er e a l i z e ，w ec a l ld e v e l o pa n o t h e rk i n do f s i m u l a t i o ns o f t w a r ep a c k a g eb a s e do nc + + t os i m u l a t et h eh i g he n e r g yp h y s i c se x p e r i m e n t d e t e c t o r , a n dt h i ss i m u l a t i o ns o f t w a r ep a c k a g ei sg e a n t 4 t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h eg e a n t 4s o f t w a r ep a c k a g ed e v e l o e db a s e do nc + + t h e n i l l 山东大学硕士学位论文 够w e l la sh o wt os i m u l a t et h es i m p l ed e t e c t o rt ou s i n gg e a n t 4 们1 em a i nc o n t e n ti s s i m u l a t i n gt h ed e t e c t o ro fa r c _ r ( ) e x p e r i m e n tu s i n gg e a n t 4b a s e do nc ha n dt e s t i n gt h e d e t e c t o rb yr u n i n gt h ej o bt of i n dw h e t h e rt h ed e t e c t o rw eh a v es i m u l a t e dg a da c h i e v et h e a n t i c i p a t e df u n c t i o na n do u rg o a l i nt h es i m u l a t i o np r o c e s st h ea r g oe x p e r i m e n td e t e c t o r h a sb e e nd i v i d e di n t os e v e r a lr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tm o d u l e s d i f f e r e n tm o d u l e sr e a l i z et h e j o i n tb yt h ei n t e r f a c er o u t i n e i no r d e rt or e a dt h ee a sa n a l o gd a t aw h i c hp r o d u c e sb yt h e c o r s i k as i m u l a t i o n ，w eh a di nt h ei n s t a n c ep r o d u c i n gm o d u l eo ft h i sp r o c e d u r e e s t a b l i s h e da ni n t e r f a c er o u t i n en a m e da s a g 4 c o r s i k a i n t e r f a c e ”i nt h ep r o c e d u r ea l lt h e m o d u l e sa r et h e s e 勰b e l o w ：r u no p e r a t i n gc o n t r o lp a r a m e t e ra d m i n i s t r a t i o nm o d u l e ， g e o m e t r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e ，d e t e c t o ra r r a y s t r u c t u r em o d u l e ，i n s t a n c e p r o d u c i n gm o d u l e ，s e n s i t i v ed e t e c t o rm o d u l e ，h i t si n f o r m a t i o nd i g i t i z a t i o nm o d u l e ，t r i g g e r s i m u l a t i o nm o d u l ea n ds i m u l a t i o ni n s t a n c eo u t p u tm o d u l ea n ds oo n w h e nw er u nt h ej o b ，t h e d e t e c t o rm u s tf i r s tr e a dt h es i m u l a t i o nd a t a ( m a i nc o n t e n ti se a sp a r t i c l e s ) p r o d u c e db yc o r s i k a t h r o u g ha g 4 c o r s i k a i n t e r f a c ei nt h e i n s t a n c e p r o d u c i n gm o d u l e w h e nt h ep a r t i c l e s s i m u l a t e db yc o r s i k ae n t e rt h ed e t e c t o r , t h e yw i l la f f e c tm u t u a l l y 、 ，i mt h em a t e r i a li n d e t e c t o r t h e nt h es e n s i t i v ed e t e c t o ri n s i d ew i l lb eh i ta n dp r o d u c eh i t si n f o r m a t i o n n 圯 s e n s i t i v ed e t e c t o rw i l lr e c o r dt h e s eh i t si n f o r m a t i o na n dd i g i t i z et h e m ，t h e nd i g i t i z e dh i t s i n f o r m a t i o nw i l lb er e a db yt h et r i g g e rm o d u l ea n do u t p u t e db yt h ei n s t a n c eo u t p u tm o d u l e t h r o u g ht h er u no fc e r t a i ni n s t a n c e sa n dc o m p a r i n go u rs i m u l a t i o nr e s u l t sw i t he x p e r i m e n td a t a , w e f i n d e dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r cc o n s i s t e n tw i t hd a t a o u rw o r kh a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dg o a l b a s i c a l l k e y w o r d s ：g e a n t 4 ，a r g od e t e c t o r ，s i m u l a t i o np r o g r a m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：韭日期：丝2 ：笪：乡 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盏：! 堕导师签名：z 咝 日 期：竺监：墨 j 山东大学硕士学位论文 第一章引言 1 9 1 2 年，赫斯( veh e s s ，奥地利) 在载人气球飞行实验中发现了来自外部空间的 高能射线【1 1 ，取名为“宇宙射线”。近百年来人们对宇宙线的研究在粒子物理和天体物理 等领域取得了丰硕的成果，但是在当前的宇宙线物理研究中仍存在着一些未解之迷。例 如，宇宙线是怎么产生的，又是怎样被加速到超高能区甚至1 0 2 0 e v 的。这些问题的背后 都隐藏着耐人寻味的物理和天体演化问题，一直是科学家们致力探寻的目标。解开所有 迷团的关键环节是寻找到它们的“源- 即它们最初发生的地方。但是，由于低于1 0 ”c v 的宇宙线带电粒子受到星际磁场的偏转而被调制成各向同性，而高于1 0 1 8e v 的宇宙线统 计记录量又很少，所以长期以来人们是通过观测来自宇宙空间的y 射线来进行“源 的 探索的。于是就诞生了一门新的学科y 射线天文学。 1 1 y 射线天文学的实验的研究目的 7 射线天文学是通过观测来自宇宙空间的7 射线来研究高能天体的位置、星际间物 质的分布、天体的状态以及其上发生的高能相互作用过程的学科。研究所涉及的能区从 m e v 延伸到至1 0 2 0 e v 。高能物理界将这一能量范围划分为如表1 1 所示的不同能区。高能 y 射线的特性( 能量、微分流强等) 直接反映了天体上和星际间的高能相互作用过程。 因此，从实验上找到能够发射高能y 射线的天体并测量由这些天体所发出的高能厂射线 的性质对于研究宇宙线的起源和加速机制具有重要的意义，同时可为研究天体的演化提 供实验依据，这也是7 射线天文学实验的主要研究目的。 对宇宙线的起源和加速机制的研究已进行了相当长的时间，在m e v 到g e v 之间的能 区，由于有丰富的实验数据，因此对该能区宇宙线的起源、加速和传播机制已有了较透 彻的了解【2 l 。但在甚高能及其以上的能区，缺乏足够的实验数据，所以对该能区的宇宙 l 山东大学硕士学位论文 线起源和加速机制还不十分清楚。目前理论上认为，能量在1 0 e v 以下的宇宙线主要起 源于银河系内的超新星暴发以及脉冲星和脉冲星云；由于银河系的体积和磁场强度有限， 不能有效地束缚1 0 1 7e v 以上能区的宇宙线粒子，因此人们普遍认为高于1 0 1 7e v 的宇宙线 主要是河外起源的，其中活动星系核由于其巨大的能量输出而成为众多河外源中最有可 能产生高于1 0 1 7e v 宇宙线粒子的天体侯选者。 表1 1 宇宙线粒子的能区划分 能区名称探测技术 1 伊一3 0 m e v 中能( m e d i u m )卫星实验 3 0 m e v 3 0 g e v 高能( h e )卫星实验 3 0 g e v - 一3 0 t e v 甚高能( v h e )地面大气切伦科夫望远镜实验 3 0 t e v 3 0 p e v超高能( u h e )地面空气簇射阵列实验 3 0 p e r极高能( e h e )地面空气簇射阵列实验 高能y 射线是在源区被加速的高能带电宇宙线粒子与其周围介质发生作用的次级产 物，它可以通过以下过程产生： 1 高能的质子与其周围介质的原子核产生相互作用而产生新的次级粒子，这些次级 粒子中的万。介子衰变产生两个厂光子； 2 高能的电子在其周围介质中发生韧致辐射过程发射出一个y 光子； 3 高能的电子与其附近的y 光子发生逆康普顿散射过程，光子在该过程中获得能 量成为高能，射线； 4 高能电子在局域磁场中通过同步辐射过程发射出7 光子。 理论研究表明，上述过程中产生的7 光子的能谱与产生它们的带电粒子的能谱密切 相关，其流强取决于带电粒子的密度、周围介质的密度等因素。在实验上搜寻可发射甚 高能y 射线的点源并精确测量所发射的厂射线的性质，就可对有关宇宙线的起源和加速 机制的理论模型提供有力的实验验证。 2 山东人学硕 ：学位论文 7 射线天文学的另一个重要的目标是7 射线暴的寻找。7 射线暴是一种暂态的、强烈 的7 发射，截止目前，关于，暴的起源和产生机制仍存在很大的分歧。一种观点认为y 暴 来源于银河系的扩展银晕，它的产生联系着中子星表面的小的爆发现象；另一种观点认 为7 暴来源于宇宙学距离，它产生于宇宙中的灾变现象，例如中子星的碰撞等。两种观 点进行了广泛的辩论，但没有得出具体的结论。 1 2 7 射线天文学的实验技术 长予娩鼍电子优 图1 1 不同能量段粒子的观测手段 实验上观测到的宇宙线粒子的能量从1 0 5e v - 1 0 2 0 e v 跨越十几个量级，其流强按能量 的负幂律变化( 其积分幂指数约为一2 左右) 。随着能量的升高，y 射线的流强下降很快， 山东人学硕 ：学位论文 因而对不同能区的y 射线的观测要采用不同的实验手段。对于m e v 到g e v 能区的7 射线， 由于流强较强，可以用人造卫星或高空气球搭载的探测器进行直接的测量，以减少或避 开大气层对它的吸收。对于能量在3 0 g e v 以上能区的y 射线，由于其流强较弱，而星载 探测器又受到卫星载荷的限制，面积不能做得太大，因此难以达到有统计意义的事例量， 所以一般需要利用建在地面上的大口径切伦科夫望远镜或空气簇射阵列，通过原初宇宙 线粒子在大气中引发的广延大气簇射过程进行间接的观测。 1 2 1 卫星实验 卫星实验是利用搭载在人造卫星上的探测器在大气层以外的空间对y 射线进行直接 的观测。着这类实验是通过测量y 射线在探测器介质中所产生的p + e 一电子对来重建入射 ，射线的信息，其探测器主要是由带电粒子径迹探测器和全吸收电磁量能器组成。当y 射 线入射到探测器后会与探测器中的介质产生相互作用而转化成e + e 一电子对，径迹探测器 可以精确地测量e * e 一电子对的径迹，从而确定7 射线的入射方向，厂射线的能量则由量 能器所测量的e * e 一电子对的能量给出。 最早给出7 射线天图的是七十年代的s a s 一2 3 1 和c o s b 川5 1 卫星；九十年代美国发射 的c g r o 卫星是一个多波段的7 天文观测卫星，它共搭载了四套不同的观测设备进行实验 6 1 1 7 】【8 l 【9 i 1 1 川1 11 】【1 2 l 【1 3 i ，它们分别是b a t s e 、e g r e t 、c o m p t e l 和o s s e ，其中，b a t s e 探测器主 要用于监测全天的y 暴和暂态发射，e g r e t 探测器主要用于高能y 射线的探测。 卫星实验的优点是可以对y 射线进行直接的测量，且有较好的角分辨率( 1 0 ) 和 能量分辨( 1 5 ) ；其缺点是受人造卫星载荷的限制，探测器的面积不能过大( 1m 2 ) 。 因此卫星实验不能对高能区的7 射线进行有效的观测。 4 m 东 顺 学位论文 22 地面实验 高能原扔宇宙线粒子( 质子、t 光子、原子核等) 在进入大气层之后，会与空气中的 原子核进行相互作用，所产生的次级粒子又继续与空气中的原子核进行相互作用从而产 生新的次级粒子。这种过程重复进行下去，形成缴联簇射过程，直到所产生的次级粒子 的能量足够小或者粒子到达了观测平面。簇射过程所产生的次级粒子具有很宽的横向分 布，覆盖了很大的面积，最高可达到几十甚至几千平方公里，因此被称为广延大气簇射 ( e x t e n s i v ea i rs h o w e r ，简称e a s ) ，如图12 所示。地面实验就是利用广延大气簇射 对e a s 中的次级粒子进行测量来实现对原初宇宙线粒子的间接测量。 攀 图i2 广延大气簇射示意闰 大气切伦科夫望远镜实验 当e a s 中的粒子速度大干光在空气中的传播速度时，就会发f l 切伦科夫光发射”“。 切伦科夫光的发射方向沿着簇射粒子的运动方向，发射角很小，从而保留了簇射方向的 信息。绝大部分光子是在簇射极大的时候产生的，到达地面后在几百米的范围内均匀分 布，光子的密度包含着簇射的能量信息。 大气切伦科夫望远镜是通过探测簇射粒子在空气中产生的切伦科夫光子束来观测 的。其中探测器是利用抛物面型或球型反射镜将切伦科夫光子汇聚到位于反射镜的焦面 处的光电倍增管阵列上的，光电倍增管阵列将光线收集下来并转换为电信号加以测量， 得到广延大气簇射的图象，利用该图象可咀重建入射粒子的能量、方向和种类等信息。 5 山东大学硕士学位论文 世晁上比较著名的大气切伦科夫望远镜实验主要有：美国的w h i p p l e ( 美英合作) ， 俄罗斯的s h a l o n ，法国的c a t ，澳大利亚的c a n g a r 0 0 ( 日澳合作) 及德国的h e g r a 。 大气切伦科夫望远镜实验的有效观测能区为2 0 0 - 3 0 0 g e v ，其探测器具有非常好的角 分辨率( 1 0 一1 5 0 ) 和比较好的能量分辨率( 2 0 一4 0 ) ，且对光子簇射和强子簇射有 良好的分辨能力，它能排除9 9 7 的强子背景同时保留5 0 的y 信号。其主要的缺点是： 为了避免星光的影响，望远镜不能做到全天侯观测，只能工作在无月、空气能见度高的 晴朗夜晚，观测条件比较苛刻，因而有效观测时间大约为1 0 。另外，望远镜视场狭窄， 每次只能对一个选定天体进行跟踪观测，无法进行全天区扫描。 空气簇射阵列实验 空气簇射阵列就是将众多的粒子探测器排列成彼此间隔一定距离的阵列，用于对广 延大气簇射粒子的空间、时间分布进行多点采样观测，从而获得引起簇射的原初粒子的 相关信息。 空气簇射阵列的优点是视场大，可同时对多个点源进行观测，受外界的影响小，可 长期连续的工作，其有效时间可达到9 0 以上。其缺点是探测阈能高、对光子和强子的 分辨能力差。为了克服这些缺点，新一代的地面e a s 阵列( m i l a r g o 实验和中意合作的 羊八井a r g o 实验) 采用了全覆盖的方式。由于全覆盖式阵列的取样比达到了9 0 以上， 所以使得探测器的阈能降到了可以与大气切伦科夫望远镜实验相比拟的能区，同时由于 可以对e a s 粒子的空间和时间分布比较精确地测量，所以使得其对光子和强子的分辨成 为可能。 m i l a r g o 实验采用的是水切伦科夫探测技术，其探测阈能为4 0 0 g e v 。该实验的探测 器是一个装满5 0 0 0 m 3 纯水的密封水池，在水池中分两层安装了7 2 3 个光电倍增管，上 层光电倍增管用于测量e a s 粒子在水中所发出的切伦科夫光，以确定e a s 粒子的到达时 间和密度，下层的光电倍增管用于测量子以排除本底。 中意合作a r g o 实验利用由阻性板记数器( r p c ) 组成的“地毯式修阵列【1 5 l 。该实验 的突出特点是覆盖率高达9 0 以上，探测阈能低( l o o g e v ) ，观测能区宽 ( 1 0 0 g e y l o o t e r ) ，可以对e a s 粒子的空间、时间分布作较为精细的测量。关于a r g o 实验的详细情况将在第二章中介绍。 6 山东大学硕士学位论文 1 37 射线天文学实验的主要研究成果 从上世纪9 0 年代开始，搭载在c g r o 卫星的c o m p t e l 和e g r e t 实验分别在卜3 0 m e y 和1 0 0 m e v 一3 0 g e v 能区对y 射线进行了全天区的扫描。图1 2 给出了e g r e t 实验所探测到 的高显著性的7 射线在银河坐标系中的分布。在这些被观测到的g 源中，有些已经找到 对应的天体，有些是属于未知的源。 与此同时，地面宇宙线实验在高能y 射线探测方面也取得了很大的成功。超过8 个 地面实验观测到了来自蟹状星云的t e v 7 射线发射，并以较高的显著性观测到了其它的一 些t e v y 射线源。 图1 2e g r e t 观测到的y 源在银河系中的分布 7 山东大学硕上学位论文 1 4 地面阵列实验的m o n t ec a r l o 模拟 如前所述，地面实验是通过对e a s 的测量来间接测量原初宇宙线粒子的特性的。探 测器阵列通过测量e a s 粒子到达探测器表面的时间可以确定原初粒子的入射方向，但原 初粒子的种类、能量、流强等特性的测量则要依赖于m o n t ec a r l o 模拟数据与实验数据 的比较来测定。因此，m o n t ec a r l o 模拟在地面阵列实验中起着至关重要的作用。 在地面阵列实验中，m o n t ec a r l o 模拟包含两部分：1 ) e a s 过程的模拟；2 ) 阵列中 探测器的响应的模拟。 1 4 1e a s 过程的模拟 对原初宇宙线粒子所引起的空气簇射发展过程进行模拟包括以下几个过程： 1 ) 原初宇宙线分成分能谱的设定。在能量较低时( 1 0 1 5 e v ) 原初宇宙线的分成分 能谱可采用直接测量的结果，在高能情况下，由于没有直接测量的结果，分成分的能谱 只能依据假定的模型通过将低能时的能谱进行合理的外推得到。 2 ) 按预定的能谱抽样得到原初粒子的能量和种类，并将其按随机选定的方向入射从 大气顶部入射到大气中，并根据粒子与空气核的相互作用模型，模拟粒子在大气中的传 输过程和次级粒子的产生。 3 ) 对所有新产生的次级粒子都进行传输过程和相互作用过程的模拟，从而实现对级 联簇射过程的模拟。 目前，可用于e a s 模拟的程序有c o s m o s 、c o r s i k a 、e p a s 等。但被广泛 使用的程序是c o r s i k a 。该程序能够模拟由原初原子核、强子、p 子、电子和光子 在大气中所产生的空气簇射过程，适用的能区可达到1 0 2 0 e v 。c o r s i k a 程序主要分 为四个部分，e a s 模拟主程序、低能强相互作用部分、高能强相互作用部分和电磁 相互作用部分，每部分构成一个程序模块，相互之间通过一定的程序接口连接。描述 低能强相互作用有i s o b a r 和g h e i s h a 两个模型可选，高能强相互作用提供了多个 模型可供选择：如v e n u s 、q g s j e t 、s i b y l l 、d p m j e t 、h d p m 等模型，电磁相 互作用采用了e g s 4 模型描述。 8 山东大学硕士学位论文 1 4 2 探测器响应的模拟 探测器响应的模拟的主要目的是模拟到达探测器阵列的e a s 粒子在探测器内部的传 输过程以及探测器的灵敏单元对这些粒子的响应。具体的过程如下： 1 ) 跟踪每个e a s 粒子在探测器中的传输过程及其与探测器介质的相互作用，产生新 的次级粒子； 2 ) 如果粒子进入探测器的灵敏单元，则产生并记录击中( h i t ) 信息； 3 ) 所有的粒子跟踪完成以后，进行触发判选的模拟及击中信息的数字化，如果满足 触发条件，则将数字化的信息组合成模拟事例并输出到数据文件。 以前，对探测器响应的模拟主要是利用基于g e a n t 3 的模拟程序进行的。g e a n t 3 是 用f o r t r a n 语言编写的探测器模拟软件包，在过去的几十里，该软件包在高能物理实验 中得到了广泛的应用。但g e a n t 3 软件包也存在着一些缺陷，对于用户来讲，最主要的缺 陷是可选择的粒子与介质的相互作用模型较少，且相互模型适用的最高能量都低于 l o o g e v 。因而，g e a n t 3 不适合用于对l h c 探测器的模拟或空气簇射阵列的模拟。 近年来，面向对象的编程技术在高能物理实验研究中得到了广泛的应用，探测器模 拟软件也开始采用面向对象的c + + 语言进行编写。目前，各个大的高能物理实验的探测 器模拟程序都是采用基于g e a n t 4 软件包进行开发的。g e a n t 4 是欧洲核子研究中心( c e r n ) 利用c + + 语言开发的探测器模拟工具软件包，与g e a n t 3 相比，g e a n t 4 显著优点是提供了 丰富的粒子与介质的相互作用模型，一些作用模型适用的能量范围可达到i o o t e v ，可以 满足空气簇射阵列实验的需要。 1 5 论文的主要内容 中意合作羊八井a r g o 实验的探测器模拟程序a r g o g 是基于g e a n t 3 软件包编写的， 对于能量在l o o g e v 到几十个t e v 的丫点源的寻找，该软件可以满足实验研究的需要，但 考虑到a r g o 的物理研究还包含“膝 区物理，g e a n t 3 中的强相互作用模型的适用性就 受到了限制；另外，a r g o g 的模拟结果还存在着与实验数据不一致的地方，因此有必要 以g e a n t 4 为基础，开发新的a r g o 探测器模拟程序。 9 山东大学硕士学位论文 基于以上原因，我们与中科院高能物理研究所的相关人员合作开发了基于g e a n t 4 的a r g o 探测器模拟程序，称为g 4 a r g o 。本论文将对g 4 a r g o 程序进行详细的描述，并将 g 4 a r g o 的模拟结果与实验数据进行比较。本论文共分四章，基本结构如下： 第一章( 本章) 引言； 第二章介绍了羊八井a r g o 实验及探测器r p c 的结构和工作原理； 第三章介绍了g 4 a r g o 程序的结构； 第四章介绍了g 4 a r g o 程序的模拟结果与实验数据的比较； 第五章总结与展望。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章羊八井a r g o 实验 位于西藏羊八井的中意合作a r g o y b j 实验是一个采用全覆盖探测技术的地面空 气簇射阵列实验，该实验的阵列可以对赤纬在( - 1 0 。 万 1 t e v ) 的情况下，因而在g e a n t 4 中包含了多个强相互作用可供选择。 探测器的模拟结果与与粒子与介质相互作用模型的选择相关，经过模拟结果与实验 数据的比较，在g 4 a r g o 软件中采用了表3 1 所示的相互作用过程和模型。 粒子与探测器介质的相互作用过程的定义和相互作用模型的选择由类 a g 4 p h y s i c s l i s t 控制，该类是由基类g 4 v m o d u l a r p h y s i c s l i s t 派生，在其构造函数中将表 3 1 中左列的物理过程和相互作用模型注册到g e a n t 4 系统中，供对粒子与介质的相互作 用过程的模拟使用。 3 6 击中信息处理 当粒子进入到灵敏探测器单元时，便会产生击中信息( h i t ) 。如前所述，在g 4 a r g o 中，所定义的灵敏探测单元为r p c 计数器中的混合气体层。当粒子进入气体层后，g e a n t 4 系统会自动地调用a g 4 s e n s i t i v e d e t e c t o r 类中的p r o c e s s h i t s 函数来处理由该粒子所产生 的击中信息。 g e a n t 4 系统将为p r o e e s s h i t s 函数传递一个g 4 s t e p 类的对象，在该对象中包含了粒 子在探测器中传输了一个“步长”( s t e p ) 的所有信息，用户可利用这些信息来获取粒子所产 生的击中。 a r g o 实验中的r p c 是工作在流光模式，只有带电的粒子进入其气体层且有能量沉 积才能产生探测器响应信号，因此要求只有带电的粒子进入到气体层且沉积能量不为零 才可产生击中。在g 4 a r g o 中，满足以下条件之一，则粒子在探测器中产生一个击中： 1 ) 粒子经过一个“步长”就穿过了气体层； 2 ) 粒子进入气体层，经过多步后离开气体层或在气体层中消失( 衰变、与介质产 生了相互作用等) ： 3 ) 粒子在气体层中产生，并经过几步后离开气体层或在气体层中消失。 粒子产生的击中信息由a g 4 h i t 类描述，包含该击中相对a r g o 坐标系的位置、所 在位置的c l u s t e r 的号码、r p c 的号码、p a d 的号码、对应的读出条的号码、相对p a d 的位置、该击中产生的时间( e a s 粒子到达探测器表面的时间+ 在探测器内部的传输时 间) 等。 山东大学硕士学位论文 对击中信息的处理的准确性将影响模拟结果与实验数据的一致性。实验上发现，读 出条信号存在串扰的现象，即当一个读出条上有信号时，相邻的读出条上有可能也会产 生信号。为了与实验一致，将上面所记录的击中的位置的x y 坐标向左右分别偏移一个小 量( 一1 3 m m ) ，如果偏移后的位置对应不同的读出条，则认为形成了一个新的击中。 对于每一个击中，如果能通过r p c 探测效率的选择，则将其记录到g e a n t 4 系统中， 以备以后使用。 3 7 击中信息数字化和噪声模拟 当所有在原初事例中的粒子被跟踪完后，g e a n t 4 系统就完成了对一个事例的模拟， 此时，系统会自动调用a g 4 e v e n t a c t i o n 类中的e n d o f e v e n t 函数来对模拟产生的事例进 行处理。在g 4 a r g o 中，对模拟事例的处理包括三部分：1 ) 击中信息的数字化和噪声模 拟，通过a g 4 h i t d i g i t i z e r 类实现；2 ) 阵列触发判选系统的模拟，通过a g 4 t r i g g e r s i m u l a t i o n 类实现；3 ) 模拟数据的输出，由a g 4 i o m a n a g e r 类实现。本节将介绍第一部分。 3 7 1 击中信息数字化 击中信息数字化的任务是模拟阵列的在线电子学读出过程。在a r g o 实验中，有两 种读出模式：1 ) 数字读出模式：p a d 信号的时间信息和p a d 上的读出条有无击中；2 ) 模拟读出：大p a d 的信号幅度。在目前的g 4 a r g o 中，只实现了对数字读出模式的模拟。 击中信息的数字化是利用g e a n t 4 系统中储存的粒子击中信息来进行的。一个击中在 所对应的p a d 上所产生的信号的时间包括以下两部分： 1 ) 击中产生的时间：包括e a s 粒子到达探测器表面的时间以及粒子在探测器内的 传输时间，由g e a n t 4 系统在模拟过程中给出，并已包含在击中信息中； 2 ) 在气体层中产生的击中在读出条上产生感应信号，该信号经过在读出条上传输后 到达前端电子学系统。信号在读出条上的传输时间依赖于击中在读出条上的位置 和信号在读出条上的传输速度。在g 4 a r g o 中，信号的传输速度被设定为 0 0 4 e m n s 。 实验上已给出：阵列电子学系统对信号时间的测量误差为2 i n s ，另外，由于信号电 山东大学硕士学位论文 缆的长度差别所引起的时间测量误差约为0 4 5 n s ，在模拟中必须考虑时间测量误差的影 响。在g 4 a r g o 中，分别用两个高斯函数对击中信号的时间进行了弥散处理，以记入两个 时间测量误差的影响。 对p a d 的读出信息的处理按以下的步骤进行： 1 )从g e a n t 4 系统中所储存的击中信息中找出位于同一p a d 的所有的击中，按 上述方式计算每个击中的时间； 2 )利用每个击中所对应的读出条的号码，确定该p a d 上读出条被击中的情况； 3 )选择最早产生的击中的时间作为p a d 信号的时间。 数字化的击中信息由a g 4 d i g