Để xác định ảnh hưởng của phông do chùm tia gây ra lên từng detector nói riêng và hệ detector nói chung, trước khi đưa thí nghiệm vào hoạt động chúng ta cần mơ phỏng để thiết lập sự ảnh hưởng của nó.
Chương trình máy tính để mơ phỏng, ghi nhận và xử lý số liệu được sử dụng trong thí nghiệm Belle II là Basf2 (Belle II analysis framework). Trong Basf2 nhiều loại khác nhau của phần mềm được viết dưới dạng các module của hệ thống phần mềm (framework), mỗi module có một số chức năng nhất định, và chúng được đưa vào sử dụng trong hệ phần mềm tùy theo nhu cầu. một Module có cấu trúc như được mơ tả trong phụ lục 1.
Các chương trình ứng dụng được sử dụng trong thí nghiệm Belle II như là xây dựng hạt, lựa chọn các sự kiện, và sử các code phân tích dữ liệu, chúng được thực hiện bằng cách kết hợp các module lại. Chương trình xử lý số liệu sẽ đọc dữ liệu một sự kiện đã lưu trước đó trong một file, sau đó xử lý nó bằng cách đưa qua dãy module và cuối cùng lưu dữ liệu vào file kết quả. Hình 3.1 mơ tả q trình xử lý dữ liệu bằng Basf2.
Việc thực thi các module có thể thay đổi nhiều tùy thuộc vào từng mục đích cụ thể. Để điều khiển việc thực thi các module và thuận tiện trong việc sử dụng các cơng cụ phân tích dữ liệu có sẳn như Root, Basf2 sử dụng Python như là ngôn ngữ thông dịch để viết chương trình điều khiển các module.
Trong vật lý năng lượng cao khi nói đến mơ phỏng ta thường có ba bước như sau: Tạo sự kiện ban đầu (event generation), mô phỏng quá trình đi qua detector của hạt, và số hóa tín hiệu. Bước đầu tiên liên quan đến việc tạo các sự kiện ban đầu cho các nghiên cứu vật lý khác nhau, ví dụ như nghiên cứu sự phân rã của meson B hay là mô phỏng phông do chùm tia gây ra. Bước thứ hai là tiến hành mô phỏng tương tác của các hạt riêng rẻ khi đi qua detector, các detector được mô tả bằng các hình học và vật liệu khác nhau, và ghi lại giá trị năng lượng mà hạt để lại trong các vùng nhạy của detector. Thứ ba là mô phỏng sự đáp ứng của các phần khác nhau của vùng nhạy của detector, liên quan đến các quá trình xử lý vật lý của việc tạo ra tín hiệu, các hiệu ứng điện tử, và cuối cùng là tạo ra tín hiệu.
Tạo sự kiện ban đầu: Đối với việc mô phỏng phông do chùm tia gây ra ảnh hưởng đển detector, các thông tin ban đầu (điểm sinh, moment động lượng, loại hạt,…) của hạt được đọc từ dữ liệu các chương trình mơ phỏng quá trình của hạt trong máy gia tốc, mỗi loại phơng có một cách mô phỏng tương tứng như sau:
+ Bức xạ Bhabha được mơ phỏng bằng chương trình BBBrem [7] – là
chương trình mơ phỏng bức xạ hãm trong tán xạ Bhabha, e+ e- → e+ e- γ.
+ Hiệu ứng Touschek và hiệu ứng tán xạ của chùm tia với khí dư trong ống, chủ yếu là tán xạ coulomb thì được mơ phỏng bằng chương trình SAD (Stratergic Accelerator Design). Thơng tin của các hạt bị lệch ra khỏi chùm tia (mômen động lượng, vị trí) sẽ được ghi lại vào file SAD.
Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Hình 3.2 chỉ ra các vị trí mà chùm tia bị lệch gần vùng detector va vào thành ống nhiều nhất. Đó chính là kết quả từ các chương trình mơ phỏng SAD và BBBrem
Hình 3.2 Các vị trí chùm tia bị lệch va vào thành ống nhiều nhất
Chương trình mơ phỏng detector được viết bằng C++, và dựa vào công cụ mô phỏng Geant4. Được điều khiển bằng chương trình điều khiển (Steering file), trong đó các tham số mô phỏng được định nghĩa bởi người dùng. Đầu vào chính của chương trình mơ phỏng là mơ tả hình học detector và thơng tin các hạt ban đầu. Ý tưởng cơ bản của Geant4 có thể mơ tả như sau.
Đơn vị chính của một lần chạy được biểu diễn bởi G4 Run là một sự kiên G4
Event và gồm có một tập hợp các hạt chính tạo ra trong một tương tác và sự
đáp ứng của detector đối với các hạt này. Trước khi mỗi sự kiện được xử lý, nó chỉ chứa các điểm sinh của hạt ban đầu (hạt chính) và các hạt này được định nghĩa trong file điều khiển, hoặc được cung cấp từ bên ngoài. Sau khi sự kiện được xử lý, nó sẽ tăng lên trong các tương tác. Các tương tác trong vùng
nhạy của detector sẽ được ghi lại. Trong Basf2 chúng được ghi lại bởi các dataobject riêng rẽ.
Số hóa tín hiệu: Chương trình số hóa tín hiệu sẽ tiến hành mơ phỏng chi
tiết quá trình vật lý trong detector cùng với các hiệu ứng điện tử, thêm vào đó các ảnh hưởng hình học detector, từ trường. Bằng cách này nó sẽ chuyển một hoặc nhiều tương tác riêng lẻ khi mơ phỏng bằng Geant4 thành tín hiệu số đo bằng detector. Kết quả là số liệu mơ phỏng sẽ có dạng giống với số liệu thực đo bằng detector.
Trong phần mềm Basf2 các q trình mơ phỏng trên được thực hiện bằng cách kết hợp các module theo thứ tự như ở trong hình 3.3.
Trong đó các module có chức năng như sau:
Module EvtMetaGen được sử dụng để tạo thông tin cho các sự kiện mô
phỏng như thí nghiệm, số sự kiện, số lần chạy. Nó là phương tiện được sử dụng trong trường hợp khi mà khơng có module nào tạo ra thơng tin này.
EvtMetaGen GearBox SADInput Geometry FullSim Progress RootOutput ………
# Create main path for Bkg simulation main = create_path() main.add_module(evtmetagen) main.add_module(gearbox) main.add_module(sadinput) main.add_module(geometry) main.add_module(fullsim) main.add_module(progress) main.add_module(rootoutput) process(main)
Hình 3.3 Sơ đồ mơ phỏng phơng do chùm tia gây ra sử dụng Basf2
Nghiên cứu ảnh hưởng của phơng neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II
Module Gearbox và module Geometry có nhiệm vụ đọc các tham số của
detector từ các file dữ liệu XML và sử dụng các chương trình xây dựng hình học của các detector để tạo ra hình học cho detector Belle II. Như trong hình 3.4 ta có thể thấy kiến trúc cơ bản của chương trình tạo ra hình học cho detector Belle II. Trong đo XML file lưu giữ thông tin về các tham số của các detector thứ cấp (CDC,PXD,..), Mỗi detector thứ cấp đều có chương trình mơ tả bằng ngơn ngữ C++, những chương trình này sẽ yêu cầu giá trị các tham số từ các XML file để xây dựng nên hình học cho mỗi detector thứ cấp. Những hình học này sẽ được đưa vào tập hợp lại thành một đối tượng mới đó là toàn thể detector Belle II. Thứ tự các đối tượng hình học và mối quan hệ giữa chúng được quy định bằng cách sử dụng đối tượng ROOT TGeo.
Hình 3.3 Kiến trúc cơ bản của chương trình xây dựng hình học [10]
Module SADInput sẽ đọc dữ liệu từ file SAD, Những file này được tạo ra
từ các chương trình mơ phỏng như BBBrem, SAD. Các thơng tin này chính là các dữ liệu ban đầu để mơ phỏng các q trình của hạt bằng module Fullsim.
Module FullSim là module thực các mô phỏng bằng Geant4 cho
framework (Basf2). Trước hết, nó sẽ khởi tạo Geant4, gọi và chuyển các dữ liệu về thể tích, loại vật liệu từ ROOT TGeo thành các dữ liệu thích hợp cho Geant4, khởi tạo các quá trình vật lý và các chương trình tương tác của người
dùng (User Action). Module này yêu cầu hình học của detector được xây dựng trước vì thế mà hai module Geometry và Gearbox được sử dụng trước đó để tạo ra hình học Detector.
Module Progress dùng để in dử liệu debug ra log file trong q trình mơ
phỏng, sử dụng module này log file sẽ in ra các dử kiện theo thứ tự loga, nghĩa là in các sự kiện 1, 2, …10, 100, 1000, …
Module RootOutput dùng để lưu dữ liệu lại mà các dataobject đã tạo ra
trong q trình mơ phỏng.