粒子物理与核物理实验中数据分析

2020/4/21粒子物理与核物理实验中的数据分析杨振伟清华大学第八讲:Geant4的探测器模拟介绍(3)2020/4/22上讲回顾粒子定义G4ParticleDefinition6大类粒子：G4LeptonConstructorG4BosonConstructorG4MesonConstructorG4BaryonConstructorG4IonConstructorG4ShortlivedConstructor产生主事例：G4ParticleGun物理过程：电磁、强作用、衰变、光轻子-强子作用、光学、参数化、输运(必要过程)2020/4/23本讲要点产生主事例G4HEPEvtInterface敏感探测器取出敏感探测器的数据，并存入ROOT格式文件2020/4/24事例产生子接口G4HEPEvtInterface很多时候，事例产生子已经存在，而且是Fortran语言。Geant4并不直接链接这些Fortran程序，而是提供了一个接口：G4HEPEvtInterface读取事例产生子生成的ASCII文件中的信息，重新生成G4PrimaryParticle对象，并关联到对应的G4PrimaryVertex也就是说，G4HEPEvtInterface将/HEPEVT/公共块的信息转换为一个O-O数据结构。这个公共块在高能物理中被广泛使用。2020/4/25用/HEPEVT/公共块生成ASCII文件commonblock将以下量写入文件中第一行：NHEP，当前事例粒子数(包括中间态)随后的NHEP行：每个粒子的ISTHEP,IDHEP,JDAHEP,PHEP信息ISTHEP：粒子状态；IDHEP：粒子PDG号；JDAHEP：粒子衰变产物位置的指针；PHEP(1-3,5)：粒子x,y,z动量，能量，质量2020/4/26以HEPEVT格式输出的ASCII文件102311000.00000000E+000.00000000E+000.25000000E+030.51000000E-033-11000.00000000E+000.00000000E+00-0.25000000E+030.51000000E-03311000.00000000E+000.00000000E+000.24999999E+030.00000000E+003-11000.00000000E+000.00000000E+00-0.25000000E+030.00000000E+00311000.37396914E-020.15234913E-020.24138585E+030.00000000E+003-1100-0.93164320E-020.27396574E-01-0.24687934E+030.00000000E+0032300-0.55767406E-020.28920195E-01-0.54934906E+010.48823428E+0332000.19070032E+020.24337596E+03-0.48627266E+010.33000000E+003-200-0.19075609E+02-0.24334704E+03-0.63076405E+000.33000000E+002231626-0.55767406E-020.28920195E-01-0.54934906E+010.48823428E+03122000.93164331E-02-0.27396573E-01-0.31205891E+010.00000000E+0012200-0.81046576E-03-0.82301151E-040.14162632E+000.00000000E+00......175......比如：下面这个事例表示该事例共102个粒子(包括中间态)，随后的102行分别为这102个粒子的具体信息：第一列为粒子状态(3：对撞入射粒子或其它；2：衰变了；1：存在的粒子；0：空)，第2列为粒子PDG号，最后4列分别为粒子的x，y，z方向动量和质量。2020/4/27使用HEPEvtInterface的例子参见例子N04，在ExN04PrimaryGeneratorAction中：ExN04PrimaryGeneratorAction::ExN04PrimaryGeneratorAction(){constchar*filename=pythia_event.data;//读取pythia_event.dataHEPEvt=newG4HEPEvtInterface(filename);}voidExN04PrimaryGeneratorAction::GeneratePrimaries(G4Event*anEvent){//设定主顶点位置，产生主顶点HEPEvt-SetParticlePosition(G4ThreeVector(0.*cm,0.*cm,0.*cm);HEPEvt-GeneratePrimaryVertex(anEvent);}其中HEPEvt在头文件中定义：G4VPrimaryGenerator*HEPEvt;注：main函数或者mac文件中设定beamOn事例数不能超过ASCII中事例数。2020/4/28敏感探测器(SensitiveDetector)SD的首要任务是通过粒子“迹”(track)上的“步”(step)的信息，构造“击中”(hit)。这些击中经过数字化，被读出几何读出的信息是真正的模拟结果。(当然在模拟中我们也可以忽略数字化而直接读出hit的信息)用户敏感探测器继承于抽象基类G4VSensitiveDetector，用户需要完成3个主要函数：ProcessHits(G4Step*aStep,G4TouchableHistory*)构造“击中”，被G4SteppingManager调用Initialize(G4HCofThisEvent*HCE)初始化，事例开始时调用，指定构造的“集中”与当前事例关联起来EndOfEvent(G4HCofThisEvent*)事例结束时调用参见例子N02/src/ExN02TrackerSD2020/4/29定义和添加敏感探测器在探测器构造中添加敏感探测器，比如：//SDManagerG4SDManager*SDman=G4SDManager::GetSDMpointer();//创建敏感探测器G4StringtrackerChamberSDname=ExN02/TrackerChamberSD;ExN02TrackerSD*aTrackerSD=newExN02TrackerSD(trackerChamberSDname);//添加到SDManagerSDman-AddNewDetector(aTrackerSD);//为logical体积设定敏感探测器!!!logicChamber-SetSensitiveDetector(aTrackerSD);参见例子N02/src/ExN02DetectorConstruction1.定义Hits，如ExN02TrakcerHit2.定义SD，如ExN02TrackerSD3.在DetectorConstruction()中添加SD2020/4/210读取敏感探测器的信息在EventAction类的EndOfEventAction()函数中，可以读取该事例中存储的Hits。比如可以在ExN02EventAction中加入下面代码，查看每个事例中的Hits数目：//获得该事例的HitsCollection(可能不止一个)G4HCofThisEvent*hc=evt-GetHCofThisEvent();G4intNbOfColl=hc-GetNumberOfCollections();//获得第0个HitsCollection，即ExN02TrackerHitsCollection//也可以通过CollectionID获得ExN02TrackerHitsCollection*hitsC=hc-GetHC(0);//该Collection中Hits数目G4intsizehits=hitsC-entries();.......当然，你也可以将hitsC中的Hits挨个读取出来，并获取这些Hits的详细信息。2020/4/211将模拟结果写入root文件1)GNUMakefile中添加调用root需要的头文件的目录和库，即在G4EXLIB:=true一行后面加入：ROOTCFLAGS=$(shellroot-config--cflags)ROOTLIBS=$(shellroot-config--libs)ROOTGLIBS=$(shellroot-config--glibs)CPPFLAGS+=$(ROOTCFLAGS)EXTRALIBS+=$(ROOTLIBS)$(ROOTGLIBS)2)在main函数新建TFile，定义TTree(全局变量)3)在EventAction的EndOfEventAction()函数中收集需要的数据，填充到TTree。(也可以直接在SD中收集)4)在RunAction中将TFile写入硬盘。(也可以在主函数main()中写入)参见hep.tsinghua.edu/~yangzw/CourseDataAna/examples/Lec8.tgz2020/4/212小结G4HEPEvtInterface主产生子(PrimaryGenerator)的一种，直接读取ASCII文件中以HEPEVT格式存储的事例。敏感探测器的添加和定义在DetectorConstruction中，不但要将SD添加给SDManager，还要指定相应的logical体积。将结果存储到root文件中在EventAction中收集数据，或者在SD中直接收集。2020/4/213练习在例子N02的基础上，将模拟的信息存储到root文件中。这些信息包括：粒子的PDG号、质量、能量沉积、径迹长度。生成root文件后画出这些信息的直方图，并进行分析修改探测器物质和入射粒子，重新运行，得到新的root文件，并画出储存信息的直方图。在N03的基础上，加入敏感探测器。2020/4/214参考资料1.Geant4应用开发手册3.6节2.Geant4应用开发手册4.4节3.Geant4例子novice/N02,N04