[論文レビュー] LArSoft: A Software Package for Liquid Argon Time Projection Drift Chambers

E. Church|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2013

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 2被引用数 35

ひとこと要約

LArSoft は、液体アルゴン時間投影連合（LAr TPC）のシミュレーション、再構築、解析を目的とした高性能でフェルミラブが支援するソフトウェアフレームワークであり、ARTフレームワークに基づき、GEANT4、ROOT、およびカスタムキャリブレーションツールと統合されている。原始的な検出器信号から3次元の粒子軌跡やショウヤへのエンドツーエンド処理を可能にし、ArgoNeuTで成功裏に導入されたほか、MicroBooNEおよびLBNEへの準備も整っている。

ABSTRACT

We describe in these GLA2011 proceedings the software package LArSoft, a toolkit to perform simulation, analysis and reconstruction with the Liquid Argon (LAr) Time Projection Chambers (TPCs) within the US program of proposed detectors. We demonstrate that LArSoft is a fast-maturing, sophisticated package which has taken on important analyses already, and which stands ready to be adopted by as many as five Liquid Argon Time Projection Chambers.

研究の動機と目的

• ニュートリノ物理学で用いられる液体アルゴンTPCに適したスケーラブルでモジュラーかつ拡張可能なソフトウェアフレームワークの開発。
• チャンネル数や幾何形状が異なる複数のLAr TPC実験間で、一貫したシミュレーション、再構築、解析を可能にする。
• フェルミラブのコンピューティングインfraストラクチャと、ART、ROOT、GEANT4といった外部ツールの支援を活用し、保守負荷を低減し、長期的な持続可能性を確保する。
• 電子の寿命測定、粒子識別、およびLBNEにおける核子崩壊のようなレア崩壊研究を含む高度な物理学解析を支援する。
• 原始的な検出器データから3次元軌跡、ショウヤ、頂点といった物理オブジェクトへ至る統一的かつ拡張可能なパイプラインを提供する。

提案手法

• LArSoft はフェルミラブが支援するARTフレームワークに基づき構築されており、イベントベースの処理と、シミュレーション、再構築、解析段階におけるモジュラーなデータフローを可能にする。
• LAr TPCからの原始的データは、ピエダル補正、デコンボリューション、パルス再構築を実行するキャリブレーション済みデータモジュールを通る。
• ヒット検出アルゴリズムは、信号の複雑さに応じて N ≥ 1 のNガウス分布フィットをパルスに適用し、電荷量と位置を抽出する。
• ヒットは空間的近接性に基づきDBSCANアルゴリズムを用いてクラスタリングされ、個々のワイヤープレーン上に2次元クラスタを形成する。
• 2次元の線分はホフ変換を用いて同定され、3次元再構築のためのシードとしてエンドポイントが抽出される。
• 3次元の軌跡およびショウヤはカルマンフィルタリングと頂点投影技術を用いて再構築され、3次元頂点検出器は距離が最も近い接近距離解析により重複するイベントを解消する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のLAr TPC検出器（チャンネル数や幾何形状が異なる）を効率的に統合し、シミュレーション、再構築、解析を一元化するソフトウェアフレームワークをどのように実現できるか？
• RQ2 LArSoftの再構築チェーンは、原始的なTPC信号から3次元の軌跡やショウヤを同定する際に、性能と正確性にどの程度の水準に達しているか？
• RQ3 LArSoftは、電荷収集解析を用いて液体アルゴン内での電子の寿命を高精度に測定可能か？
• RQ4 LArSoftは、将来のLAr TPCに光検出システムを備える場合に、光学的光パルスのシミュレーションと再構築をどの程度効果的に実行できるか？
• RQ5 LArSoftのイベントバイアスおよびトラッキング戦略は、大規模なLAr検出器における陽子崩壊のようなレアな物理学探索をどの程度促進できるか？

主な発見

• LArSoft は、自動シミュレーション、再構築、選別を統合した初のLAr TPC解析を実現した。これは、ArgoNeuTの学位論文で示された、荷電現在の包括的反ニュートリノ断面積測定の事例によって裏付けられている。
• ArgoNeuTにおける電子の寿命測定では、電荷量とドリフト時間のLandau分布へのフィットにより、約10%の精度が達成され、複数のミューオントラックで一貫した結果が得られた。
• ArgoNeuTにおける粒子識別では、dE/dx 対 残存レンジのプロットが、ミューオンとプロトンを正しく分離しており、各仮説のMC予測バンド内にヒットが配置された。
• LArSoftの光学的光パルスシミュレーションは、PMT応答の事前計算済みルックアップテーブルを用いて、MicroBooNEにおける光収集を正確にモデル化している。レイノルズ散乱および物質効果も考慮している。
• LAr40研究において、LArSoftのイベントバイアス技術により、不要な粒子を破壊し、関連する二次粒子のみを追跡することで、宇宙線ミューオンの背景を低減した。その結果、シミュレートされたミューオン発生率は約250/秒となり、文献値と整合的であった。
• 再構築チェーンは、MicroBooNE用に生産準備完了状態にあり、すべてのコアモジュール（ヒットファインダー、クラスターファインダー、3次元軌跡/ショウヤファインダー）がモンテカルロデータ上で実装・検証済みである。