1、高能物理中的粒子轨迹与顶点重建：从探测器到算法实践

高能物理中的粒子轨迹与顶点重建：从探测器到算法实践

1. 追踪探测器概述

在高能物理实验里，常常通过让两束高能粒子束相互碰撞，或者让一束粒子与一个靶标碰撞来开展研究。碰撞产生的粒子会被粒子探测器记录下来，之后通过重建碰撞中产生的大部分粒子并确定它们的属性，来深入研究这次碰撞。

追踪探测器是其中关键的一环，它可以是像丝室或硅条传感器这样的单个设备，也可以是像时间投影室那样能够独立进行轨迹重建的完整追踪系统。一个带电粒子穿过追踪探测器时，会在探测器的局部坐标系中产生一个或一串空间观测值。为了进行轨迹重建，需要把这些观测值转换到三维空间中的点，而且这三个坐标通常具有不同的精度。而正确的转换是由校准和对准程序来确定的。最终得到的空间点，也就是“击中”点，会在轨迹寻找过程中被收集成轨迹候选，随后在轨迹拟合中，对轨迹参数进行估计并检验轨迹假设。成功重建的轨迹会被聚类成产生或衰变顶点，接着进行顶点拟合和顶点假设检验。

追踪探测器主要有三种类型：
- 气体追踪探测器 ：利用带电粒子在气体中的电离效应。
- 半导体追踪探测器 ：通常配备硅传感器。
- 闪烁光纤追踪器 。

2. 气体追踪探测器

气体追踪探测器利用带电粒子在气体体积内的电离效应。最简单的气体探测器是盖革 - 米勒计数器，它是一个带有中心丝的管子。管子壁和丝之间 1 - 3 kV 的电位差，会使初级电子和离子分别向阳极（丝）和阴极（管壁）移动。由于丝附近的场强很大，初级电子会产生大量次级电子和离子的雪崩，从而产生可检测的信号并送入放大器。