2009 4 141 粒子物理与核物理实验中的数粒子物理与核物理实验中的数 据分析据分析 杨振伟 清华大学 第七讲第七讲 Geant4 的探测的探测 器模拟介绍器模拟介绍 2 2009 4 142 上讲回顾上讲回顾 Geant4 简介简介 模拟粒子穿过物质的工具包模拟粒子穿过物质的工具包 广泛应用于粒子物理 核物理 加速器广泛应用于粒子物理 核物理 加速器 物理 医学物理 空间科学等领域物理 医学物理 空间科学等领域 基本概念和重要的用户类基本概念和重要的用户类 安装安装Geant4 使用使用Geant4 探测器几何与材料探测器几何与材料 2009 4 143 本讲要点本讲要点 物理过程物理过程 粒子定义粒子定义 物理过程定义物理过程定义 Run和Event等基本概念Run和Event等基本概念 2009 4 144 Geant4模拟的基本流程 设计探测器设计探测器 几何 材料等几何 材料等 粒子在探测器粒子在探测器 中可能发生的中可能发生的 各种反应各种反应 物理过程物理过程 粒子和物理过程的定义在相应的粒子和物理过程的定义在相应的 PhysicsList类中 如类中 如 ExN01PhysicsList 预备模拟的事例预备模拟的事例 粒子定义粒子定义 进入探测器进入探测器 模拟粒子在探测器模拟粒子在探测器 中的各种可能过程中的各种可能过程 敏感探测器中敏感探测器中 信号记录信号记录 信号数字化信号数字化 与读出从与读出从 数据重建与分析处理数据重建与分析处理 修改探测器设计修改探测器设计 和物理过程 和物理过程 2009 4 145 Geant4 中的粒子中的粒子 Geant4 中的粒子由三层类来表示 中的粒子由三层类来表示 G4DynamicParticle 赋予粒子运动学 动态 属性 如动量 能量 赋予粒子运动学 动态 属性 如动量 能量 自旋方向等等 自旋方向等等 G4ParticleDefinition 粒子的粒子的 静态静态 特征量 如电荷 质量 寿命等等 特征量 如电荷 质量 寿命等等 没有能量 方向等信息没有能量 方向等信息 G4Track 将动态粒子放到具体环境中 给出位置 几何将动态粒子放到具体环境中 给出位置 几何 信息等等 信息等等 2009 4 146 粒子定义 1 首先要定义粒子 即模拟中可能产生的各 种粒子 Geant4提供了各种类型的粒子 1 普通粒子 如电子 质子 光子等 2 共振态粒子 寿命短 如矢量介子等 3 核子 如氘核 氦核及重离子等 4 夸克 胶子等 定义的附带了粒子的各种信息 如名称 质量 电荷 自旋 寿命 衰变道等 2009 4 147 Geant4中粒子分以下六大类 lepton meson baryon boson shortlived ion 粒子定义 2 2009 4 148 PhysicsList中定义粒子 在ConstructParticle 函数中定义 粒子定义 3 void ExN01PhysicsList ConstructParticle G4Geantino GeantinoDefinition 定义geantino G4Proton ProtonDefinition 定义质子 G4Positron PositronDefinition 正电子 G4MuonPlus MuonPlusDefinition G4AntiNeutrinoE AntiNeutrinoEDefinition 反电 子中微子 但是如果过程复杂 需要定义的粒子非常多 但是如果过程复杂 需要定义的粒子非常多 需要有更方便的定义方法需要有更方便的定义方法 2009 4 149 粒子定义 4 void ExN01PhysicsList ConstructParticle ConstructLeptons 构造轻子 ConstructBosons 构造玻色子 void ExN01PhysicsList ConstructLeptons 定义所有轻子 G4LeptonConstructor pConstructor pConstructor ConstructParticle void ExN01PhysicsList ConstructBosons 定义所有玻色子 G4BosonConstructor pConstructor pConstructor ConstructParticle 除了轻子 玻色子还包括 G4MesonConstructor G4BaryonConstructor G4IonConstructor G4ShortlivedConstructor 如果对过程中可能需要的粒 子不确定 可以用这种办法 把所有粒子都构造出来 2009 4 1410 Geant4对不同粒子的处理及截断 Geant4对不同类型粒子的处理不同 如 1 稳定 长寿命粒子 径迹模拟 2 K0 直接被重定义为K0 L或K0 S 然后模拟 径迹 3 短寿命粒子 直接衰变 而不模拟径迹 有些过程需要设置截断 Geant4统一采用长度截断 内核自动将长度换 算为能量 换算出的能量依赖于不同的物质 SetCuts 函数 见ExN01PhysicsList或 ExN02PhysicsList 2009 4 1411 Geant4 的物理过程的物理过程 要模拟真实的物理 必须首先知道粒子在物质中哪些相互要模拟真实的物理 必须首先知道粒子在物质中哪些相互 作用是最主要的 或者说哪些物理过程是重要的 作用是最主要的 或者说哪些物理过程是重要的 Geant4提供了提供了7大类物理过程描述粒子与物质的相互作大类物理过程描述粒子与物质的相互作 用 用 G4INSTALL data目录存放物理模型的数据目录存放物理模型的数据 electromagnetic 电磁相互作用过程 标准的和低能的 electromagnetic 电磁相互作用过程 标准的和低能的 hadronic 强子相互作用过程 纯强子 辐射衰变 光电 核 hadronic 强子相互作用过程 纯强子 辐射衰变 光电 核 decay 衰变过程decay 衰变过程 photolepton hadron 光轻子与强子的相互作用过程photolepton hadron 光轻子与强子的相互作用过程 optical 光学的光子过程optical 光学的光子过程 parameterization 参数化过程 即fast simulation parameterization 参数化过程 即fast simulation transportion 输运过程transportion 输运过程 要根据事例中的粒子以及材料 指定必要的物理过程 其中输运过程是必须添加的过程 其中输运过程是必须添加的过程 2009 4 1412 物理过程的添加 void ExN01PhysicsList ConstructProcess AddTransportation 添加输运过程 void ExN02PhysicsList ConstructProcess AddTransportation 添加输运过程 添加电磁过程 自定义 见void ExN02PhysicsList ConstructEM ConstructEM 添加一般过程 实际上是衰变过程 自定义 见void ExN02PhysicsList ConstructGeneral ConstructGeneral 2009 4 1413 产生Primary Event 必须指定如何产生一个事件 才能进行模拟 在G4VUserPrimaryGeneratorAction的具 体类中用G4VPrimaryGenerator的具体类来 完成 有两种PrimaryGenerator G4ParticleGun 发射指定能动量的特定粒子 G4HEPEvtInterface 利用提供的接口 读取 外部产生子产生的事例 外部产生子的结果按 照HEPEvt的格式写成ASCII文件 2009 4 1414 G4ParticleGun 参数n particle表示一次发射的粒子数目 G4ParticleGun particleGun new G4ParticleGun n particle G4ParticleGun有很多设置函数 如 SetParticleDefinition G4ParticleDefinition 粒子类型 SetParticleMomentumDirection G4ThreeVector 动量方向 SetParticleEnergy G4double 能量 SetParticlePosition G4ThreeVector 发射位置 粒子枪的属性设置好之后 才调用generatePrimaryVertex 函数 产生 事例的主顶点 粒子枪本身不提供随机性 发射的粒子都是指定的 如果需要按照某分布随 即发射粒子 需要在调用generatePrimaryVertex 之前 利用Geant4提 供的随机数产生子自己写出需要的分布 参见ExN01PrimaryGeneratorAction generatePrimaries G4Event 函数 2009 4 1415 G4Run Run是Geant4模拟的最大单元 一次Run中 探测器几何 敏感探 测器 物理过程都不能改变 G4RunManager调用BeanOn 时开始一次Run 可以包含很多 Event G4UserRunActio类中有BeginOfRunAction 和 EndOfRunAction 前者主要用于进行run号设定 直方图或TTree TFile定义等 后者主 要进行存储直方图或者文件等 在调用BeanOn 的过程中 将调用5种 如存在 用户作用类 G4UserRunAction G4UserEventAction G4UserStackingAction G4UserTrackingAction G4UserSteppingAction 在概念上 一个在概念上 一个 run 收集的是同一个探测器条件下收集的是同一个探测器条件下 的事例 的事例 2009 4 1416 G4Event G4Event表示一个事例 一个event对象包 含有模拟事例的所有输入和输出信息 主要 是4大类 主顶点和主粒子 径迹 击中以 及数字化集合 G4UserEventAction类中有BeginOfEventAction 和 EndOfEventAction 前者可以作事例开始的预备工 作 后者可以将事例的有用信息提取出来 填充到直方图 或者TTree中 用作输入的原初顶点和粒子列表用作输入的原初顶点和粒子列表 所收集的各种在探测器的击中或响应所收集的各种在探测器的击中或响应 所收集的各种运动轨迹信息所收集的各种运动轨迹信息 可选项 可选项 所收集的各种数字化信息所收集的各种数字化信息 可选项 可选项 2009 4 1417 在在 Geant4 中的迹中的迹 迹是粒子在探测器中留下的痕迹 迹是粒子在探测器中留下的痕迹 只体现出当时粒子的位置和物理量 只体现出当时粒子的位置和物理量 步是粒子径迹的一小段步是粒子径迹的一小段 信息 信息 在下列情况下 迹要被删除 在下列情况下 迹要被删除 粒子径迹并不是步的集合 粒子径迹并不是步的集合 迹离开广义中的大体积迹离开广义中的大体积 迹消失迹消失 例如发生了衰变 例如发生了衰变 粒子动能为零 在 粒子动能为零 在 AtRest 时也无其它物理过程的要求 时也无其它物理过程的要求 用户决定要将其删除 用户决定要将其删除 在每个事例结尾 不保留迹的目标模块 在每个事例结尾 不保留迹的目标模块 用运功轨迹的类目标模块来记录粒子的径迹 用运功轨迹的类目标模块来记录粒子的径迹 G4TrackingManager 负责管理处理迹的进负责管理处理迹的进 程 迹由程 迹由 G4Track 类表示 类表示 2009 4 1418 在在 Geant4 中的