江门中微子实验模拟框架软件和缪子快速模拟的研究

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目前,江门中微子实验(JUNO)正处于建设阶段,预计2020年开始取数。实验建成后,它的中心探测器将是世界上最大的液体闪烁体探测器。JUNO实验的物理目标丰富,包括中微子质量等级以及混合参数的测量,同时还包括大气中微子、太阳中微子、超新星中微子等研究。作为实验研制的一部分,离线数据处理软件和计算环境将提供框架软件、模拟和数据重建软件、以及数据传输和计算等服务。本论文的研究课题是离线系统的一部分,侧重于模拟和数据传输的相关研究,研究内容包括模拟框架软件、宇宙线在中心探测器中的快速模拟以及数据共享与传输工具的研制。  JUNO中心探测器包含两万吨液体闪烁体,周围放置约17,000支20英寸光电倍增管(PMT),能量分辨率好于3%/√E(MeV)。为了进行不同探测器设计方案的比较,设计和开发了基于SNiPER和GEANT4的模拟框架软件。它提供探测器几何和材料、物理相互作用、模拟真实信息以及事例数据的高效管理,整合了物理产生子、探测器和电子学的模拟模块,形成完整的模拟流程。另外,还设计了用户自定义行为的软件模块,方便用户程序获取、输出和分析模拟过程中的真实信息。  宇宙线是JUNO实验的重要本底来源,对其进行细致的模拟极其重要。基于模拟框架软件进行宇宙线模拟时发现高能缪子在中心探测器中会产生107量级的光电子,这导致模拟作业成功率低并且消耗大量的计算资源。本论文提出全新的、基于参数化方法的“voxel method”,用于加快闪烁光的模拟。该方法利用GEANT4模拟预先产生PMT的光电子响应直方图,然后在模拟中加载直方图进行抽样,并通过引入对称性来降低直方图的数量。快速模拟方法已经在模拟框架中实现,物理性能研究表明快速模拟与全模拟的结果一致,模拟运行速度得到明显改善,达到设计要求。  JUNO合作组成员需要共享实验数据,但现有的传输工具不能很好地与实验的数据管理系统结合。本论文分析了实验的需求,完成了基于DIRAC的数据共享与传输工具。该传输工具包括用户界面层、服务层与传输代理层三个方面的实现:用户界面层提供了数据集和传输请求的管理以及传输的监控;服务层用于响应用户的请求并将信息存入传输数据库中;传输代理层负责数据传输的管理和流程。为了提高传输的并发性,代理层使用非阻塞的方式调度底层的传输命令。数据传输的测试表明该工具的性能能够满足实验的需求。
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