Введение к работе
Актуальность работы. Работа посвящена одной из важных проблем экспериментальной физики высоких энергий (ФВЭ), а именно задаче реконструкции событий1, полученных в ядро-ядерных соударениях. Характерными особенностями многих современных экспериментов в физике высоких энергий являются большая множественность и плотность частиц в каждом событии (до 1000 зарегистрированных частиц в событии), а также высокая скорость поступления данных (до 107 событий/сек.). Для анализа полученных данных необходимы быстрые и эффективные алгоритмы и программы.
Эксперимент СВМ (Compressed Baryonic Matter) по изучению сжатой барионной материи в ядро-ядерных соударениях при энергиях пучка от 8 до 45 АГэВ является одним из основных в программе исследований на строящемся ускорительном комплексе FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) в Дармштадте (Германия) [Al, A2].
В настоящее время ведется разработка математического и программного обеспечения этого эксперимента. Проводятся исследования по физическому обоснованию и анализу возможностей эксперимента, а также оптимизации установки СВМ. Моделирование является важным этапом подготовки эксперимента, включающим в себя разработку алгоритмов реконструкции событий. Обработка смоделированных событий позволяет оценить такие качественные характеристики алгоритмов, как эффективность реконструкции событий, точность оценки искомых физических параметров и временные затраты на выполнение программ, реализующих эти алгоритмы. От эффективности работы алгоритмов реконструкции событий зависят качество физического анализа и требования, предъявляемые разработчикам детекторов относительно их характеристик и конструкции.
Одной из основных задач в эксперименте СВМ является идентификация электронов2, которая необходима для реконструкции J/ф и ф' мезонов и легких векторных мезонов (р, uj, ф) при распаде по диэлектронному каналу. С одной стороны, требуется хорошая эффективность идентификации электронов, с другой стороны, необходимо хорошее подавление пионов, так как они составляют основной фон при физическом анализе. Для идентификации электронов и подавления пионов будут использованы детектор черен-ковского излучения RICH (Ring Imaging CHerenkov) и детектор переходного излучения
1 Событие — совокупность частиц, зарегистрированных в детекторах в результате соударения.
2 Здесь и далее предполагается идентификация электронов и позитронов.
TRD (Transition Radiation Detector).
Детекторы RICH широко применяются во многих экспериментах в физике высоких энергий как часть системы идентификации частиц (см., например, [A3, А4, А5, А6] и обзор [А7]). Принцип работы RICH детектора основан на том, что при прохождении частицы в среде, характеризуемой показателем преломления п, со скоростью v, превышающей скорость света в данной среде, испускается черенковское излучение под углом 9 к траектории движения частицы, при этом cos9 = 1//Зп, где /3 = v/c. Угол 9 зависит от типа частицы и ее импульса. В RICH детекторах черенковские фотоны регистрируются напрямую фотодетектором (или фокусируются сферическим зеркалом на фотодетектор) в виде изображения колец. Скорость заряженной частицы определяется по радиусу кольца, на котором располагаются фотоны, в соответствии с конструкцией и оптической системой детектора. RICH детектор часто используется для идентификации частиц совместно с детектором для измерения импульса, так как совокупность информации о скорости и импульсе частицы позволяет определить ее массу, по которой она может быть идентифицирована. Для определения угла, под которым испускается черенковское излучение, необходимо распознать и оценить параметры колец. Поэтому реконструкция колец в событиях является важной задачей для всех RICH детекторов.
В диссертации представлены алгоритмы реконструкции событий в RICH детекторе эксперимента СВМ. К этим алгоритмам предъявляются следующие требования: 1) высокая скорость работы алгоритмов из-за необходимости обрабатывать большой поток данных, 2) высокая эффективность распознавания колец, 3) устойчивость вычислений к обработке событий с большой множественностью частиц. Проведенный анализ показал, что существующие алгоритмы не удовлетворяют таким требованиям по эффективности и/или скорости работы. Поэтому возникла необходимость развития существующих и разработки новых, более эффективных алгоритмов. Одним из способов ускорения процесса обработки являются параллельные вычисления. Современная архитектура процессоров развивается по пути увеличения количества вычислительных ядер и применения векторных вычислений, что позволяет существенно повысить эффективность работы программ при использовании параллельных алгоритмов.
Для эксперимента СВМ создание новых алгоритмов реконструкции событий является актуальной в плане повышения их эффективности. Решение таких задач позволяет улучшить качество анализа физических результатов, а также оптимизировать конструк-
цию RICH детектора.
Цель диссертационной работы состоит в разработке быстрых и эффективных алгоритмов, а также тестировании и практическом внедрении программного обеспечения для реконструкции колец черенковского излучения и идентификации электронов в RICH детекторе эксперимента СВМ.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:
разработать эффективный алгоритм реконструкции колец черенковского излучения в RICH детекторе при наличии большого количества пересекающихся колец;
разработать эффективный алгоритм идентификации электронов в RICH детекторе;
создать быстрый алгоритм реконструкции колец черенковского излучения в режиме реального времени с применением параллельных вычислений;
реализовать алгоритмы в программной оболочке эксперимента СВМ — CBMROOT, и выполнить их тестирование;
создать программное обеспечение для проверки качества работы алгоритмов и провести их методические исследования на устойчивость к различным источникам помех;
провести исследования по оптимизации конструкции RICH детектора и выработать требования по ее улучшению.
Научная новизна. Основные результаты диссертации являются новыми и заключаются в следующем:
Разработана новая алгоритмическая и программная реализация преобразования Хафа для реконструкции колец черенковского излучения, которая характеризуется высокой скоростью вычислений и эффективностью реконструкции черенковских колец в условиях высокой множественности частиц.
Предложен и программно реализован оригинальный критерий оценки качества найденных колец, основанный на применении искусственной нейронной сети (ИНС).
На основе этого критерия разработана процедура отбора колец из массива кандидатов, найденных программой распознавания. Процедура удаляет ложные кольца без потери эффективности распознавания.
Разработан новый алгоритм идентификации электронов в RICH детекторе, основанный на применении ИНС. Алгоритм показал двукратное преимущество в подавлении пионов по сравнению с ранее известными алгоритмами.
Предложены оригинальные решения по временной оптимизации и распараллеливанию алгоритма реконструкции колец. В рамках предложенных решений разработан быстрый параллельный алгоритм распознавания колец с использованием векторизации и многопоточности. Это позволило существенно увеличить скорость работы алгоритма без потери его эффективности.
Разработаны оригинальные программы для оценки качества работы алгоритмов. Применение этих программ позволило значительно оптимизировать конструкцию детектора RICH по размеру и стоимости.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, подтверждена моделированием методами Монте-Карло с применением современных общепризнанных моделей и программ, таких как UrQMD [А8] и GEANT [А9] с использованием реальных параметров детекторов, технологии которых доступны в настоящее время, а также применением разработанного программного обеспечения членами колла-борации СВМ для физического обоснования эксперимента и методических исследований.
Научная и практическая значимость.
Разработанное программное обеспечение включено в общую программную оболочку эксперимента СВМ — CBMROOT [А10], и активно используется членами кол-лаборации СВМ. Программы применялись как на стадии развития эксперимента и его физического обоснования, так и для оптимизации создаваемой экспериментальной установки. Результаты, полученные с использованием созданных алгоритмов и программ, подтвердили необходимый уровень идентификации электронов и подавления пионов.
Выработаны требования для конструкции RICH детектора. В результате исследований, проведенных в целях его оптимизации, предложен вариант с существенно
меньшими геометрическими размерами, что привело к снижению его стоимости более чем в 2 раза при сохранении эффективности идентификации регистрируемых частиц.
Созданные алгоритмы могут быть использованы для реконструкции событий в других детектирующих системах в области физических экспериментов, использующих RICH детектор.
Алгоритмы распознавания и оценки параметров колец, разработанные в диссертации, имеют самостоятельную научную ценность и могут быть использованы в других областях науки (биологии, медицине).
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
Разработан новый, быстрый алгоритм для реконструкции колец черенковского излучения в RICH детекторе эксперимента СВМ. Эффективность и надежность алгоритма доказана результатами, полученными при его тестировании на большом количестве смоделированных событий, соответствующих современным физическим моделям.
Разработан быстрый параллельный алгоритм реконструкции колец с использованием векторизации и многопоточности, что позволило существенно увеличить скорость работы алгоритма при сохранении его эффективности.
Разработан алгоритм идентификации электронов в RICH детекторе, основанный на применении искусственной нейронной сети. Алгоритм показал двукратное преимущество в подавлении пионов по сравнению с ранее известными алгоритмами.
Созданные алгоритмы реализованы в виде программного обеспечения, которое включено в программную оболочку эксперимента СВМ — CBMROOT.
Разработаны программы для оценки качества работы созданных алгоритмов. Исследован вопрос об устойчивости алгоритмов к различным экспериментальным факторам, проведены методические исследования для формирования требований к характеристикам и конструкции детектора RICH.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, были представлены:
на международных конференциях:
Computing in High Energy and Nuclear Physics (CHEP09) (Прага, 2009);
Mathematical Modeling and Computational Physics 2009 (MMCP09) (Дубна, 2009);
Nuclear Electronics and Computing (NEC09) (Варна, 2009);
Advanced Computing and Analysis Techniques in Physics Research (ACAT10) (Индия, 2010);
на семи международных совещаниях коллаборации СВМ в 2006 - 2010 годах;
на пяти конференциях молодых ученых и специалистов ОИЯИ в 2005 - 2009 годах;
на двух конференциях немецкого физического общества (Дармштадт, 2008; Бонн, 2010);
а также на научных семинарах в Лаборатории информационных технологий ОИЯИ и на совещаниях СВМ группы в GSI (Дармштадт, Германия).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 работ [1-25], в том числе 4 работы из Перечня ВАК [1-4].
Личный вклад автора. В диссертацию включены положения и результаты, которые получены при определяющем участии соискателя в разработке методов решения поставленных задач. Программная реализация и получение результатов сделаны лично соискателем.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, 4 глав, Заключения, содержит 94 страницы, 41 иллюстрацию и список литературы из 64-х пунктов.
