17、LHC 实验及其他实验的粒子追踪与顶点重建技术

LHC 实验及其他实验的粒子追踪与顶点重建技术

在高能物理实验中，粒子追踪和顶点重建是理解粒子相互作用和衰变过程的关键技术。本文将介绍 CMS、LHCb、Belle II 和 CBM 等实验中的相关技术。

1. CMS 实验的粒子追踪与顶点重建

CMS 实验的追踪系统由像素探测器和硅条探测器组成，尽管它们在机械上是独立的子探测器，但在轨道寻找和轨道拟合方面被视为一个整体。

1.1 轨道重建迭代方法

CMS 的轨道重建基于迭代方法，每次迭代的主要区别在于种子生成的配置和目标轨道。迭代搜索从最容易找到的轨道开始，逐步转向更难的类别，如低动量轨道、短寿命衰变产生的轨道和长寿命衰变产生的轨道。每次迭代包括以下四个步骤：
1. 种子生成 ：通过组合搜索或细胞自动机找到初始轨道段（种子），利用三到四个像素和/或条带的命中信息计算种子的轨迹参数和相应的不确定性。
2. 轨道寻找 ：每个种子作为组合卡尔曼滤波器的起始段，轨道候选中最多允许一个缺失的命中。
3. 轨道拟合 ：使用卡尔曼滤波器或针对电子候选的高斯和滤波器/平滑器，以获得轨道参数在相互作用点的最终估计。卡尔曼滤波器也有并行化版本。
4. 轨道分类 ：根据不同的轨道质量标准将轨道分为不同类别。

下表列出了像素升级到四层后使用的十二次追踪迭代，包括种子类型和目标轨道：
| 迭代步骤名称 | 种子类型 | 目标轨道 |
| — | — | — |
| Initial | 像素四重