清华大学：《粒子物理与核物理实验中的数据分析》课程教学资源（PPT讲稿）第十一讲：大作业介绍、计算机拟合方法（主讲：杨振伟）

粒子物理与核物理实验中的 数据分析 杨振伟 清华大学 第十一讲:大作业介绍 计算机拟合方法

粒子物理与核物理实验中的 数据分析 杨振伟 清华大学 第十一讲：大作业介绍、 计算机拟合方法 1

Project大作业 分为文字报告与口头报告两部分 本学期有三个 projects供大家选择: Project1:光源位置重建定位 主要是利用最大似然法拟合发光点位置 Project2:应用神经网络法甄别中子信号 主要侧重于如何处理较大批量数据,如何在 Root平台应用神经网络法对信号与本底进 行甄别。 Project3:应用解谱法还原真实电子能谱 主要侧重于如何应用 Geant4进行简单探 测器模拟以及在Root平台进行解谱分析

2 Project 大作业 分为文字报告与口头报告两部分。 本学期有三个 projects 供大家选择： Project 1：光源位置重建定位 主要是利用最大似然法拟合发光点位置 Project 2：应用神经网络法甄别中子信号 主要侧重于如何处理较大批量数据，如何在 Root 平台应用神经网络法对信号与本底进 行甄别。 Project 3：应用解谱法还原真实电子能谱 主要侧重于如何应用 Geant4 进行简单探 测器模拟以及在 Root 平台进行解谱分析

1:发光点位置重建 目的 1.学会对数据作各种直方图与二维散点图 2.学会应用各种分布去研究各种图表和发现问题 3.学会如何应用MNUm进行参数拟合研究 4.学会误差分析方法 5.学会如何做数据分析的最终研究报告 要求 1.报告需要有实验原理描述 2.各观察量分布与统计分析 3.对不同发光点数据进行位置拟合重建 4.系统误差分析 5.结论

3 1：发光点位置重建 目的 1. 学会对数据作各种直方图与二维散点图 2. 学会应用各种分布去研究各种图表和发现问题 3. 学会如何应用MINUIT进行参数拟合研究 4. 学会误差分析方法 5. 学会如何做数据分析的最终研究报告 要求 1. 报告需要有实验原理描述 2. 各观察量分布与统计分析 3. 对不同发光点数据进行位置拟合重建 4. 系统误差分析 5. 结论

超级神冈切仑科夫水探测器 在一只有效体积为高3620cm, 半径1690cm,重量约5万吨的纯净 圆柱水桶中,一共安装了11146根 光电倍增管,其中桶壁安装了安装 了7650根,上下桶盖各安装了1748 根。由于中微子与水中的核子发生 相互作用可以产生带电μ子,而 u-子在水中飞行的速度大于光在水 中的传播速度时,会发出切仑科夫 光。根据光电倍增管所探测到的时 间,我们可以确定中微子与水中的 核子发生相互作用位置,也就可以 40m 确定中微子是否发生在给定的靶体 积内

4 超级神冈切仑科夫水探测器 在一只有效体积为高3620cm, 半径1690cm，重量约5万吨的纯净 圆柱水桶中，一共安装了11146根 光电倍增管，其中桶壁安装了安装 了7650根，上下桶盖各安装了1748 根。由于中微子与水中的核子发生 相互作用可以产生带电 -子，而 -子在水中飞行的速度大于光在水 中的传播速度时，会发出切仑科夫 光。根据光电倍增管所探测到的时 间，我们可以确定中微子与水中的 核子发生相互作用位置，也就可以 确定中微子是否发生在给定的靶体 积内。 42 m 40 m

激光装置 N2 PULSE LASER Monitor 337nm0.3ns SK Trigger System 99% 激光球发出各向同性的 Channel #15009 Dye Laser 396nm 02ns 单色光,将激光球放置在不 ND Filter 同位置并进行数据采集。 SK Tank Optical fiber stainless sleeve 3mm×60mm Mgo 10000 ppm omm 50mm ▲据散 MgO 1500ppm/2.3mm ===== PMT

5 激光装置 激光球发出各向同性的 单色光，将激光球放置在不 同位置并进行数据采集

探测器坐标定义 顶部 桶部 y 中心 XC 底部

6 探测器坐标定义 中心 x y z 桶部 顶部 底部 Z （cm ）

实验数据的基本信息 1.数据文件位于/data/aser/ idcal sr,ROOT格式。 2.数据内容位于 skdata这个tree中,分为四个 branches: 口 shead:事例基本信息 口skq与光电倍增管对应的电荷测量信息(电荷单位pe) 口skt:与光电倍增管对应的时间测量信息(时间单位ns) 口 skchnl:击中信息 3.详细的每个leaf的说明参见/home/ chens/aser 另外,已知 光电倍增管位置:/ home/chens/geom/ geom sk3dat 光电倍增管分辨率:/ home/chensm/resolution/pmt sig. dat 光在水中的传播度(群速)为:21.6834cmns 超级神冈Ⅳ共11146个电子学道,其中17道没有对应的光电倍增管, 约50道被标识为坏的光电倍增管

7 实验数据的基本信息 1. 数据文件位于/data/laser/idcal_lsr，ROOT格式。 2. 数据内容位于skdata这个tree中，分为四个branches：  skhead: 事例基本信息  skq: 与光电倍增管对应的电荷测量信息 (电荷单位p.e.）  skt: 与光电倍增管对应的时间测量信息（时间单位ns）  skchnl: 击中信息 3. 详细的每个leaf的说明参见/home/chensm/laser/ 另外，已知 光电倍增管位置：/home/chensm/geom/geom_sk3.dat 光电倍增管分辨率：/home/chensm/resolution/pmt_sig.dat 光在水中的传播速度（群速）为：21.6834 cm/ns 超级神冈IV共11146个电子学道，其中17道没有对应的光电倍增管， 约50道被标识为坏的光电倍增管

各批次(run)数据的基本信息 Irun number I 062317 S“1x(m11xhy(人E(m)1(cmm)R 1'/6 0000 21.6834335 Center:=- 0m: F-1000 062318 15009 1/6.8 21.683433 m:F=2400 062319 15009 21.683433 Center m:E=2400 062320 1500 1'/6.8 21,683433 Center: z= 0m: F=1 150 062322 15009 -116.8 1500.0 21.683433 OffCEr: 2- 15m: F-1150 I 062323 15009 16.8 1500.0 21.6834335 offCer:2= 15m: E=1400 062324 15009 1'/6.8 1500.0 21.6834335 offCer:z=15m: F=2400 062326 15009 -116.8 1500 21.6834335 15009 16.8 1500.0 21.6834335 OffCEr:2=-15m:F=1400 062328 15009 -1500 21.6834335 offCer:z=-l5m: F=2400 062330 15009 21.6834335 Center: z= Om: F=1 150 061140 35.3 0.0 21.683433 Center: F=1000 061141 15009 21.683433 Center: F=2400 061142 15009 21,683433 Center: F=2300 061143 15009 21.683433 Center: F2200 061144 15009 35.3 0.0 21.683433 Center: F=2100 061145 15009 0 21,683433 Center: F=2000 061146 15009 35,3 21.683433 Center: F=1900 06114 15009 21.683433 Center: F=1800 061148 15009 21.683433 Center: F=1/00 061149 15009 21.683433 061150 15009 21,683433 Center: F=l500 061151 Center: F=1400 061152 5009 21.683433 Center: F=1300 061153 15009 21.683433 Center: F=2400 061154 15009 1.683433 06115b 15009 35.3 061156 15009 35.3 000 0000 21.683433 Center: F=1100 21.683433 Center: F=1000 06115 15009 35,3 21.683433 Center: F=900 061158 21.683433 Center: F-800 061159 15009 35.3 21.6834335 Center: F=/00 061160 15009 21.6834335 Center: F=60 061162 15009 21.6834335 Center: F=2400: loose c 061163 0.0 21.6834335 Center: F=2200: loose c 061164 15009 35.3 0.0 21.6834335 Center: F=2000: loose c I F值越小,代表激光球强度越高,标有osec的情况下,激光球强度同比更弱

8 各批次（run）数据的基本信息 F值越小，代表激光球强度越高，标有loose_c的情况下，激光球强度同比更弱

基本要求 根据所给的数据,作出 了解数据文件中每个1eaf的意义 2.分析不同光强下的击中数,总电荷量,平均电荷量,给出相应的 直方图 3.从桶部和上下桶盖分别选出一只光电倍增管,针对不同光强,作 出对应的时间测量直方图,电荷测量直方图以及时间电荷二维散 点图 4.比较不同数据的分布,对图形分布进行解释与说明,并尽可能作 定量说明 5.利用光在水中传播的速度21.683cm/ns,并根据设定的光源点 位置与每个光电倍增管位置,计算光从设定位置达到每只光电倍 增的飞行时间,作出时间随光电倍增管号码的变化图 6.针对不同光强下的几个事例,对有击中的光电倍增管,做出时间 测量值减去飞行时间随光电倍增管号码的变化图,随飞行距离的 变化图

9 基本要求 根据所给的数据，作出 1. 了解数据文件中每个leaf的意义 2. 分析不同光强下的击中数，总电荷量，平均电荷量，给出相应的 直方图 3. 从桶部和上下桶盖分别选出一只光电倍增管，针对不同光强，作 出对应的时间测量直方图，电荷测量直方图以及时间电荷二维散 点图 4. 比较不同数据的分布，对图形分布进行解释与说明，并尽可能作 定量说明 5. 利用光在水中传播的速度 21.6834 cm/ns，并根据设定的光源点 位置与每个光电倍增管位置，计算光从设定位置达到每只光电倍 增的飞行时间，作出时间随光电倍增管号码的变化图。 6. 针对不同光强下的几个事例，对有击中的光电倍增管，做出时间 测量值减去飞行时间随光电倍增管号码的变化图，随飞行距离的 变化图

研究光源在中心的数据 利用扩散球在中心的数据,对不同光强,作出 1.利用激光球在中心,发出的光强基本各向同性的特点,估计桶部其中 圈光电倍增管各自对光的探测效率,并作出探测效率与光电倍增管 号码的关系分布图(提示,每一个事例均是有激光从激光球中发出 2.利用各光电倍增管测量的时间,减去光从激光球到各相应光电倍增管 所用的时间,可得到时间测量的残差△t。作出桶部其中一圈光电倍增 管Δ的分布图,并说明它们应该服从什么分布?各对应的平均值与方 差开方值是多少?并作出平均值,方差开方值与光电倍增管号码的 关系分布图。 3.尽量减少电子学噪音等因素的干扰,以及反射光和散射光的影响, 重做2中要求的分布图。 4.由于光电倍增管时间测量精度与所接收的光电子数目是相关的。根 据数据任选一只光电倍增管,分别作出光电子数大于5与小于5的时 间测量的残差△t,验证上述相关关系。 10

10 研究光源在中心的数据 利用扩散球在中心的数据，对不同光强，作出 1. 利用激光球在中心, 发出的光强基本各向同性的特点, 估计桶部其中 一圈光电倍增管各自对光的探测效率, 并作出探测效率与光电倍增管 号码的关系分布图(提示,每一个事例均是有激光从激光球中发出)。 2. 利用各光电倍增管测量的时间, 减去光从激光球到各相应光电倍增管 所用的时间, 可得到时间测量的残差t。作出桶部其中一圈光电倍增 管t的分布图，并说明它们应该服从什么分布？各对应的平均值与方 差开方值是多少？并作出平均值，方差开方值与光电倍增管号码的 关系分布图。 3. 尽量减少电子学噪音等因素的干扰，以及反射光和散射光的影响， 重做2中要求的分布图。 4. 由于光电倍增管时间测量精度与所接收的光电子数目是相关的。根 据数据任选一只光电倍增管，分别作出光电子数大于5与小于5的时 间测量的残差t，验证上述相关关系