北京谱仪的R测量及QCD检验

1、1,强子产生子LUARLW参数协调 及辐射修正计算 中值得注意的几个问题,胡海明 R&QCD研讨会 黄山学院 2015.07.27-30,2,北京谱仪上的 R值测量和QCD实验检验, R值的定义 辐射修正问题 费曼图方案用于产生器的优点 结构函数方案用于产生器的不自然 真空极化处理对狭窄共振态line-shape测量的影响 LUARLW简介 LUARLW参数协调及效率数值的困惑 初始强子及短寿命粒子衰变由产生器模拟+探测器模拟 初始强子由产生器模拟+短寿命粒子由EvnGen模拟+探测器模拟 效率的差别 R值误差估计 事例选择误差与效率误差综合在一起估计 未测量零叉事例的误差,主要内容,3,R值

2、测量原理,实验测量公式：,实验测量的基本工作是： 数据获取(BEPC/BES运行取数, 触发表和触发效率, 原始数据的刻度和重建) 数据分析(本底排除, 强子事例选择, 积分亮度测量) 物理分析(强子化模型, 强子效率, 辐射修正因子, 本底计算) 误差分析(分析测量公式中各量的不确定性给出R值总误差),理论定义：,关于辐射修正,5,辐射修正（基于Feynman图）,R值的定义:,(a) 树图对应R值；(b)韧致辐射； (c)电子子能； (d)顶角和真空极化。,物理上感兴趣的、反映过程基本物理性质的强子截面是Feynman图中树图所表示的相对QED过程最低阶截面(但包括 QCD过程的任意阶高阶

3、截面)。但实验 数据分析中并不能把最低阶过程的事例 与高阶过程的事例区分开来，只能选择 所有的强子事例。从理论上计算出高阶 过程产生事例所占的比例，即辐射修正 因子(1+):,6,用于计算辐射修正因子（基于Feynman图）,实验上观测到的强子过程总截面：,物理总截面：,零阶截面(R值)：,除以辐射修正因子，即扣除高阶费曼图的贡献,按Feynman图，初态辐射修正来自如下各项的贡献：,其中，虚辐射修正项：,7,Bose-Einstein关联,用于确定蒙特卡罗模拟辐射事例,辐射硬光子的角度和动量分布为,零阶强子截面考虑了连续态和共振态的贡献.,注：对于辐射事例, 强子产生在其自身质心系中模拟，然

4、后再把所有强子能-动量boost到总质心系(实验室系)。,在MC模拟中，与费曼图相对应，所产生的事例分为两类： 无辐射事例(零阶过程，软辐射，虚辐射。强子系统的能量等于初始正负 电子的质心能量) 权重为 有辐射事例(硬辐射强子系统的能量小于初始正负电子的质心能量) 权重为,（45%）,（55%）,辐射修正中的真空极化因子,真空极化效应改变了电磁相互作用的强度，即把电磁耦合常数变为跑动耦合常数(s). 共振态Born截 面可表示为Breit-Wigner形式，在轻子宽度仍采用理论值来表示时，共振态本征截面为,右图为用PDG所给的共振参数计算的从强子产生阈到5GeV的Breit-Wigner截面,

5、在狭窄共振态峰附近的电磁跑动耦合常数(s)， 左：J/峰附近 右：(3686)峰附近,在狭窄 共振态峰附近的真 空极化因 子(s) 实部(红)Re(s) 虚部Im(蓝色) 左：J/峰附近 右：(3686)附近,经真 空极化修正Breit-Wigner截 面(把Breit-Wigner公式中轻子宽度的固定精 细结构常数换成能量相关的跑动 耦合常数时的BreitWigner截 面) 红色 线为原来的Breit-Wigner截 面 黑色 线为真空极化修正因 子 蓝色 线为考虑了真空极化修正后的Breit-Wigner截面， 左图： J/峰附近；右图：(3686)峰附近,真空极化因子对Breit-Wi

6、gner截面影响,LUARLW中辐射修正的改进计算,一般文献认为，辐射修正项是相对于树图项是小量，考虑了辐射修正的总截 面可以表示为 vert顶点修正 ，vac真空极化，称为虚辐射修正， 轫致辐射。 但e+e-质心能量在狭窄共振态附近，真空极化项将随能量迅速变化，其绝对值与1相比不仅不小，甚至会远大于1， 因此上述近似假设将不成立。 因此，在还原为原始的精确表达式后，考虑真空极化的作用下，把精细结构常数变为跑动耦合常数后，得到初态辐射修正因子为：,12,把真空极化近似展开还原为精确表示,采用PDG数值，分别用原来方案(红色)和改进方案(蓝色) 的狭窄共振态的总截面左图J/峰附近，右图(3686

7、)峰附近,辐射修正改进计算对line-shape的影响,14,辐射修正改进计算的(1+),2.0000000 49.328683 55.307508 1.12120383 2 2.0999999 42.737151 50.361059 1.17839066 3 2.1500001 40.773602 48.279224 1.18408044 4 2.1750000 39.841106 47.268196 1.18641777 5 2.2000000 38.939590 46.281435 1.18854449 6 2.2323999 37.815207 45.040582 1.19107061

8、 7 2.3094001 35.327690 42.265325 1.19637954 8 2.3864000 33.074529 39.724805 1.20106938 9 2.3959999 32.808621 39.423608 1.20162342 10 2.4000001 32.698754 39.299082 1.20185258 11 2.5000000 30.120428 36.364462 1.20730233 12 2.6443999 26.899911 32.668722 1.21445464 13 2.7000000 25.795758 31.394347 1.217

9、03526 14 2.8000000 23.974126 29.283671 1.22146983 15 2.9000001 22.341009 27.382009 1.22563884 16 2.9500000 21.589468 26.503015 1.22758997 17 2.9809999 21.145828 25.982091 1.22871004 18 3.0000000 20.883843 25.673002 1.22932364 . ,Ecm 0 (nb) tot (nb) (1+),15,BESIII重粲结构更精细扫描, 特别精细扫描区域的步长：12MeV； 如有新结构，所

10、获取的样本能提供足够的信息以确定新粒子态的全部参数。,干涉的处理,衰变道 fc :,相干性相加:,振幅 :,非相干性相加 :,共振截面 :,棘手的理论问题： 考虑干涉时的幺正性 强子宽度的能量相关性,17,辐射修正精度问题,ISR的误差应该考虑上述两方面的总误差,的精度会被的误差所淹没,方案本身的精度 在Feynman图的微扰计算中，精确至3阶的计算精度为1%。 零阶截面的误差 QED过程：零阶截面是准确的(零误差)。 强子过程：测量值误差，模型误差，参数值误差等。,关于产生子和参数协调,19,正负电子对撞反应过程,20,强子事例的例子,也可以通过中间机制产生(先产生中间态,再衰变为末态) ,

11、 例如:,正负电子湮没强子产生过程,强子态可以直接产生, 例如:,强子末态,21,e+,e-,探测器：,原始数据：,事例重建：,数据分析： 物理结果：,蒙特卡罗产生器 模拟事例产生,探测器模拟 （粒子与物质相互作用，吸收，产生，散射，输运，噪音及本底真实化）,蒙特卡罗模拟数据,加速器粒子对撞,击中，相互作用，产生，衰变，热噪声，本底，信号,触发，数字化，数据各种信息,MC,MC,探测效率,事例重建,数据、本底分析,刻度，寻迹,本底，信号,产生事例,高能物理实验流程,系统不确定性(误差),测量值误差,真实过程,模拟过程,22,探测效率问题,从粒子对撞到获得物理结果经历如下过程：,对撞产生Ngen

12、个强子事例（有物理意义的量，未知）,经实验测量得到Nobs个强子事例(测量值),真实的探测效率(实验分析中丢失事例的比例)是未知的！ 问题：如何知道实验中探测效率的数值？ 解决办法: MC ！,物理截面表示在对撞顶点强子产生的概率。但在实验测量中由于各种原因(事例重建，事例选择条件等)，所观测到的强子事例数少于产生的事例数。在数据分析中把所观测到的强子事例数与对撞产生的事例数之比称为探测效率,23,蒙特卡罗模拟两个基本要素,蒙特卡罗包括两个方面：,事例产生模拟：物理理论和唯象模型要正确,或者是很好的近似。有些过程的产生器是现成可用的(例如e+e-, +等QED过程)；有些是标准程序库里没有的,

13、需要实验者编写和调试(例如强子过程产生器)。 探测器模拟：必须反映真实的探测器结构、物质分布、性能、状态等,可 靠地模拟粒子进入探测器后的散射、传播、与物质相互作用、衰变等。通常是已经编写、调试、检查好放入软件库中，实验者可以现成调用。,蒙特卡罗技术可以对实验全过程进行模拟，从而可以得到探测效率.,当粒子产生模型是正确合理的，探测器模拟是真实可靠的，则可以用蒙特卡罗的效率代替真实的探测效率。但必须给出蒙特卡罗效率的系统误差。,24,Lund面积定律弦碎裂图象,量子真空涨落,碎裂强子,O,轻夸克(u,d,s)质量近似于0，以光速沿光锥运动。但对重夸克(c,b)，质量很大，它们不沿光锥运动，因此面

14、积需要修正。,25,LUND强子产生模型LUARLW,强子产生过程：,“矩阵元”：,其中，Lund模型,横动量分布(高斯形式)：,，,纵向动量分布(Lund面积定律)：,，,弦碎裂为n强子的概率(类似于量子场论中的微分截面)：,其中，碎裂强子的光锥动量分数,完成对相空间变量的积分后得到弦碎裂为不同末态的分布。,HuHaiming将选择的调节参数,关于inclusive多重数:,关于4-动量:,关于单粒子产额比: PARJ(1-17)取其它实验(OPAL)的调节值，或考虑个别作微调,LUARLW的模拟功能,LUARLW可以按单举(部分过程按遍举)的方式模拟BEPC能区连续态和JPC = 1 共振

15、态的产生和衰变过程。,28,参产生子初始强子态,4.6GeV,. . . .,. . . .,. . . .,统计到13体,29,参产生子衰变末态,4.6GeV,. . . .,. . . .,. . . .,统计到13体,目前参数协调中的困惑,31,方法：把真实数据与模拟数据经过相同的过程后进行比较,Trigger trg,Raw data,Generator,BES simulation,Event selection,Nobshad,Ngenhad,NgenMC,NobsMC,BES raw date,Tune parameters,如果： 1. 强子产生模型正确 2. 探测器模拟真实可

16、靠,had NobshadNgenhad = NobsMC NgenMC,则： 所有的蒙特卡罗模拟与真实数据在探测器层次的分布应很好符合好参数组判据。,强子产生器参数协调,32,参数协调的基本思路,LUARLW/JETSET中包含众多的唯象参数，它们虽然有明确的物理意义，但其数值是未知的，需要通过与实验数据的比较来确定，此过程就是参数协调。,从原则上说，强子事例的任何末态分布(不管是直接测量量，如能动量、顶点空间位置，角度、粒子产额比等，还是组合物理量，如快度、球度、冲度，扁度、非平面度等)都可参与协调，所用的分布越多，符合得越好，得到的参数越合理，效率越可靠。,目前，参数协调目的是将LUAR

17、LW用于确定R值测量的强子效率，并具有较小的系统误差。鉴于误差分析是在确定的事例选择条件下比较数据与与MC的差别，因此，最实用的办法就是参数协调时选用全部与事例选择条件有关的分布，再加上尽可能多的其它分布，多多益善。,33,参数协调的具体方法,桥梁式 在所有能量点上用一套参数(或粲阈以下、以上各一套)统一调好，虽不可能做到在所有点上都非常好，但能保证在所有能量点上整体都好，效率随能量变化是一致的。,跷跷板式 选择在某一个能量点上调好(可以调得非常好)，然后运用于其它能量点，但不能保证都仍然好，很可能是很不好。,34,参产生子与探测器模拟的界面,BESII实验方案 LUARLW/JETSET能给

18、出粒子的5-动量及径迹顶点的时空坐标，还有一套描述束流管的几何参数。可以做到产生子负责模拟初始强子在顶点的产生，以及寿命小于束流管尺度的粒子衰变。在LUARLW产生与探测器模拟SIMBES界面处写入的是寿命大于束流管尺寸的稳定粒子与 长寿命粒子。SIMBES模拟的过 程与真实实验中BESII所接收到 的粒子一致，所得效率合理。,35,参产生子与探测器模拟的界面,BESIII模仿BESII LUARLW/JETSET仍然负责初始强子在顶点的产生以及寿命短于束流管尺寸的粒子衰变，只把稳定的和长寿命的粒子信息直接写入探测器模拟界面/接口，EvtGen视输入粒子PID性质决定决定是否还需要让其进再衰变

19、，然后再送入GEANT进行探测器模拟。,LUARLW/JETSET 产生 衰变,EvtGen do something do nothing,GEANT,Raw MC,问题：“效率反常”,36,LUARLW/JETSET 产生 衰变,EvtGen do something do nothing,GEANT,Raw MC,Ngood1的98%,LUARLW/JETSET 产生 衰变,EvtGen do something do nothing,GEANT,Raw MC,Ngood1的93%,LUARLW 产生,EvtGen unstable particles decay,GEANT,Raw M

20、C,Ngood1的98%,事例重建效率puzzle,MC与数据比较均不错，多重数归一化因子不同,37,LUARLW效率比较,采用BESII所调参数和模拟模式 衰变末态先写成数据文件 绕过EvtGen接口 让HEPMC读入送入GEANT,2.2324 0.7848 2.4000 0.8077 2.8000 0.8396 3.0500 0.8524 3.0600 0.8541 3.0800 0.8533 3.0830 0.8538 3.0900 0.8547 3.0930 0.8493 3.0943 0.7509 3.0952 0.7245 3.0958 0.7186 3.0969 0.7176

21、3.0990 0.7240 3.1015 0.8256 3.1120 0.8728 3.1200 0.8697,LUARLW/JETSET 产生 衰变,EvtGen do something do nothing,HEPMCGEANT,Raw MC,Ecm ,38,LUARLW效率比较,采用BESII所调参数和模拟模式 末态通过接口直接传递,JETSET模拟衰变,EvtGen模拟衰变,39,LUARLW/JETSET的不稳定粒子衰变,LUARLW调用原JETSET中的子程序LUEXCE/LUDECY执行对寿命长与圆柱形束流管尺度(参数设定)的不稳定粒子的衰变。 不稳定粒子衰变道与分支比放置在数组中，JETSET的数据更新到1997年。经PDG1996与PDG2014比对，BEPC能区所涉及的绝大部分粒子数据1997年已有，此后的主要衰变道及其分支比只有微小的改变。 199