粒子物理与核物理实验中的
蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用
蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用蒙特卡罗方法是一种重要的数值计算方法，可以很好地应用于实验核物理研究中，如粒子物理、核反应、辐射探测等方面。
本文将介绍蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用。
一、粒子物理粒子物理研究是实验核物理研究的重要分支之一，主要研究宇宙中各种基本粒子的性质和相互作用规律。
蒙特卡罗方法在粒子物理中的应用主要涉及到粒子撞击、衰变、产生过程等。
例如，通过蒙特卡罗方法可以模拟宇宙中高能宇宙射线与大气层之间的相互作用。
粒子在大气层中的相互作用过程非常复杂，无法通过解析方法计算。
因此，采用蒙特卡罗方法可以模拟出这些过程，从而更好地理解宇宙中的粒子物理现象。
另外，蒙特卡罗方法还可以模拟粒子在探测器中的相互作用。
通过模拟粒子路径、能量损失和相互作用过程，可以确定探测器中的信号响应。
这对于粒子探测器的设计和性能优化具有重要意义。
二、核反应核反应是指原子核之间或与其他粒子之间的相互作用过程。
核反应的研究对于核能的开发和利用、核武器的制造和检测等方面具有重要的应用价值。
蒙特卡罗方法在核反应研究中的应用主要包括反应截面计算、中子传输、反应堆物理等方面。
对于反应截面计算，蒙特卡罗方法可以通过模拟核物理过程，如核衰变、裂变等，计算反应截面。
这需要考虑到原子核的结构、能级、自旋等因素，是反应截面计算中比较复杂的部分。
在中子传输过程中，蒙特卡罗方法可以模拟中子在物质中的传输和相互作用过程，从而计算中子的输运系数和减速过程中产生的次级中子。
另外，蒙特卡罗方法还可以模拟反应堆物理过程，如反应堆燃料元件中的核裂变、反应堆内部中的中子传输、各种材料中的辐射损伤等。
这对于核电站的设计和安全评估具有重要意义。
三、辐射探测辐射探测是指利用探测器检测和测量辐射的种类、强度和分布等。
蒙特卡罗方法在辐射探测中的应用包括辐射探测器的响应、辐射流场的传输和计算等。
辐射流场的传输和计算是指辐射在空间中的传输和衰减过程。
蒙特卡罗方法可以模拟辐射在空间中的传输，计算辐射强度的空间分布。
核物理与粒子物理学
核物理与粒子物理学核物理和粒子物理学是现代物理学领域的两个重要分支，它们研究微观世界的基本结构和相互作用规律。
本文将介绍核物理和粒子物理学的概念、发展历程、主要研究内容以及对科学技术的应用。
一、概念核物理是研究原子核的性质、结构和相互作用的学科。
原子核是构成原子的基本组成部分，包含质子和中子。
核物理的研究对象包括核反应、核衰变、核能量和核力等。
粒子物理学是研究微观粒子的性质和相互作用的学科。
微观粒子是构成物质的基本单位，包括了电子、质子、中子等基本粒子，以及更小的基本粒子如夸克、轻子等。
粒子物理学的研究内容包括基本粒子的发现、性质的测量以及粒子之间的相互作用等。
二、发展历程核物理学的起源可以追溯到19世纪末，当时物理学家发现了射线现象，并开始研究射线的性质。
20世纪初，赫尔曼·斯莫德林和欧内斯特·卢瑟福等科学家通过对射线的实验研究，提出了“原子核”和“原子结构”的概念，从而奠定了核物理学的基础。
粒子物理学的发展则较晚，大约在20世纪30年代才逐渐兴起。
科学家们通过宇宙射线实验等方式，发现了许多新的粒子并开始对其进行研究。
1947年，卡尔·安德森首次发现了带电介子，这一发现对粒子物理学的发展产生了重要的影响。
三、研究内容核物理研究的核心问题是了解和探索原子核的性质和相互作用。
其中包括了核合成、核裂变、核衰变等核反应过程的研究，以及核能量的释放与利用等相关问题。
此外，核物理学还研究了放射性核素的衰变规律及其应用，如碳14定年法等。
粒子物理学研究的核心问题是探索微观粒子的本质和相互作用。
通过加速器实验和探测器技术等手段，科学家们发现了多种基本粒子，并通过对其性质和相互作用的研究，建立了粒子物理学的标准模型。
此外，粒子物理学还研究了暗物质、暗能量等宇宙学重大问题。
四、应用领域核物理和粒子物理学的研究成果在科学技术领域具有广泛应用。
核能技术可以用于核能发电、放射性同位素的医疗和工业应用等。
4π探测效率和2π探测效率
4π探测效率和2π探测效率1. 引言在核物理和粒子物理的研究中，探测器是不可或缺的工具。
探测器的性能评估是一个重要的研究课题，其中一个关键指标就是探测效率。
本文将介绍两种常用的探测效率：4π探测效率和2π探测效率，并对其进行详细讨论。
2. 4π探测效率2.1 定义4π探测效率是指一个探测器能够接收到来自全方位（即360度）空间角范围内粒子的比例。
这种类型的探测器可以覆盖所有可能来自目标区域的粒子，因此被广泛应用于实验室和天文学观测中。
2.2 测试方法为了测试一个4π探测器的性能，一种常见方法是使用放射源辐射出来的已知活度和能量的射线束。
通过在不同位置放置该源，可以得到从各个方向进入探测器的粒子数目。
然后通过比较实际记录到的事件数与预期事件数来计算4π探测效率。
2.3 优缺点4π探测器的优点是能够接收到所有方向的粒子，因此可以提供全方位的信息。
这对于一些实验和测量来说非常重要，尤其是在需要获取尽可能多的事件数据时。
然而，4π探测器也存在一些缺点。
首先，由于其相对较大的尺寸，制造成本较高。
其次，由于需要覆盖全方位角度范围，因此在某些情况下可能会受到来自其他方向的背景干扰。
3. 2π探测效率3.1 定义2π探测效率是指一个探测器能够接收到来自半球（即180度）空间角范围内粒子的比例。
这种类型的探测器通常用于特定实验和应用中，例如某些天文观测和核反应研究。
3.2 测试方法与4π探测器不同，测试2π探测器的性能需要将放射源放置在特定位置上，并通过记录进入探测器的粒子数目来计算2π探测效率。
通常情况下，这个位置是与2π角度范围相切的。
3.3 优缺点与4π探测器相比，2π探测器的优点是其尺寸相对较小，制造成本较低。
此外，由于只接收来自半球范围内的粒子，2π探测器在一些特定实验和应用中可能更加适用。
然而，由于其无法接收来自另一半球范围内的粒子，因此在某些情况下可能会丧失一部分信息。
4. 应用领域4π探测效率和2π探测效率在核物理、粒子物理和天文学等领域都有广泛的应用。
核物理与粒子物理实验教案
核物理与粒子物理实验教案实验目的：通过核物理与粒子物理实验的教学，使学生能够了解核物理和粒子物理的基本原理和实验方法，培养实验操作的能力和科学研究精神，提高学生对物理实验的兴趣和动手能力。
实验材料：1. 放射源（如Am-241、Cs-137等）2. 聚变堆放射源（如D-D双中子源）3. 闪烁探测器4. 电子学读出系统5. 射线测量仪器（如Geiger-Muller计数器等）6. 实验x射线机7. 电磁铁8. 双螺旋线加速器等实验一：测量放射源活度的方法与技术实验原理：放射源活度是放射性核素衰变速率的指标，可以通过测量单位时间内放射源发射的粒子数来间接推算。
本实验将通过使用闪烁探测器和电子学读出系统来测量放射源的活度。
实验步骤：1. 将放射源放置于合适的装置中，如采用间接法测量，可将放射源放在适当位置让射线通过待测样品，然后再用探测器测量通过样品后的射线数目。
2. 调整闪烁探测器的高压和阈值等参数，确保探测器能够工作在最佳状态。
3. 将闪烁探测器连接至电子学读出系统，通过读出系统测量探测器输出的信号。
4. 根据测得的探测器信号和测量时间，计算放射源的活度。
实验二：粒子间相互作用实验实验原理：粒子间相互作用是核物理和粒子物理研究的重要内容。
本实验将通过使用射线测量仪器和实验x射线机来观察粒子在物质中的相互作用过程。
实验步骤：1. 设置实验x射线机的参数，如射线强度、能量等，并将射线照射到样品上。
2. 使用射线测量仪器，测量射线通过样品前后的强度差异，观察粒子在物质中的相互作用效应。
3. 根据实验结果，分析和讨论粒子在物质中的散射、吸收、衰减等现象。
实验三：粒子加速与探测实验实验原理：粒子加速和探测是粒子物理研究中的关键技术。
本实验将通过使用电磁铁和双螺旋线加速器等设备来模拟粒子加速和探测的过程。
实验步骤：1. 将待加速的粒子注入双螺旋线加速器中，并调整加速器的参数，如电场强度、磁场强度等。
2. 使用电磁铁对加速后的粒子进行偏转，根据偏转角度和磁场强度等参数推算粒子的动量和轨道。
粒子物理与核物理实验中的数据分析
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 run 收集的是同一个探测器条件下 的事例。
G4DynamicParticle
赋予粒子运动学(动态)属性，如动量，能量， 自旋方向等等。
G4Track
将动态粒子放到具体环境中，给出位置，几何 信息等等。
2019/8/9
5
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
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 所收集的各种运动轨迹信息 (可选项) 所收集的各种数字化信息 (可选项)
2019/8/9
16
在 Geant4 中的迹
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。
步是粒子径迹的一小段“”信息。
...
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
1-0粒子物理和核物理实验(1)解析
评分标准 平时作业 30% 期末考试（闭卷）70%
参考书目和学术刊物
谢一冈等著：《粒子探测器与数据获取》，教育出版社，北京 2003 唐孝威主编：《粒子物理实验方法》，人民教育出版社，北京 1982 李金编著：《现代辐射与粒子探测学讲义》 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A
客体尺度与观测手段
粒子探测器
我们生活的宏观世界被大量的微观粒子所包围： 来自地球表面的各种放射性，如 40K、232Th、235U 来自宇宙（太阳、银河系）的宇宙线（、） 来自加速器和人工放射源的各种能量、不同种类的粒子和射线
为了测量粒子和射线的基本性质，研究这些粒子之间的相互作用以及它们与 宏观物质的相互作用 为了将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观和亚微观结构，如：晶体 结构、物质的表面结构、分子原子及核结构等 为了通过这些粒子或射线来研究我们达不到的各种天体，如地球的深处、太 阳的内部、月亮或银河以外、更遥远的天体 为了使粒子和射线在工业、农业、矿山、地质、医疗、环保、航天等领域被 广泛地应用，不可替代地获得对宏观物质的形态、结构、成分的测量和研究
“小宇宙”和“大宇宙”
近百年来，人类的认识逐渐达到原子、原子核、核子、 夸克这几个层次，对其观测的尺度已从10-8到10-15厘 米。作为人类周围星体世界的大宇宙，从太阳系、银 河系、直到河外系，人们观测的尺度已大到6×107光 年距离。在地球上观察到宇宙中存在高能基本粒子， 也包括能量范围极宽的电磁辐射光子，其能量由10-4 电子伏特（宇宙背景辐射）到1020 电子伏特的硬γ射 线，而可见光光子只在大约1.6-3.2电子伏特的很小的 一段范围内。宇宙本身已逐步成为研究粒子物理的实 验室。人类对无限小和无限大世界的研究也已经逐步 有机地结合起来。
卢瑟福发现了质子和中子
卢瑟福发现了质子和中子构成原子核的核子有两种，第一种是质子。
卢瑟福被公认为质子的发现人。
1918年他任卡文迪许实验室主任时，用α粒子轰击氮原子核，注意到在使用α粒子轰击氮气时他的闪光探测器记录到了氢核的迹象。
卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子，因此氮原子必须含有氢核。
他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子。
在此之前尤金·戈尔德斯坦就已经注意到阳极射线是由正离子组成的。
但他没有能够分析出这些离子的成分。
卢瑟福，1871年8月30日出生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭，并在新西兰长大。
后来，他进入了新西兰的坎特伯雷学院学习，23岁时获得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学学士）。
1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆生的研究生。
1898年，在汤姆生的推荐下，他开始担任加拿大麦吉尔大学的物理教授。
他在那儿待了9年，于1907年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任。
1919年接替退休的汤姆生，担任卡文迪许实验室主任。
1925年当选为英国皇家学会主席。
1931年受封为纳尔逊男爵，1937年10月19日因病在剑桥逝世，与牛顿和法拉第并排安葬，享年66岁。
质子带着一个单位的正电荷，也就是它的电荷量是 1.602×10-19 库仑，直径大约在1.6 到 1.7×10−15米左右，质量是938百万电子伏特，也就是1.6726231 ×10-27 千克，大约是电子质量的1836.5倍。
到目前为止，质子被认为是一种稳定的、不衰变的粒子。
但也有理论认为质子可能衰变，只不过其寿命非常长。
反正，到今天为止物理学家还没有能够获得任何可能理解为质子衰变的实验数据。
质子是核物理和粒子物理实验研究中用以产生反应的很重要的轰击粒子，在核物理中质子常被用来在粒子加速器中加速到近光速后用来与其它粒子碰撞，这样的试验为研究原子核结构提供了极其重要的数据。
闪烁体探测器原理
闪烁体探测器原理闪烁体探测器是一种常用于粒子物理实验和核物理实验中的探测器，它可以用来探测高能粒子的能量和种类。
闪烁体探测器的原理是利用闪烁体材料对入射粒子产生的闪烁光进行探测和测量，通过测量闪烁光的强度和时间分布来获取粒子的信息。
闪烁体探测器通常由闪烁体材料、光电倍增管和信号处理系统组成。
闪烁体材料是闪烁体探测器的核心部分，它能够将入射粒子的能量转化为可测量的光信号。
常用的闪烁体材料包括塑料闪烁体、无机晶体闪烁体等。
当高能粒子穿过闪烁体材料时，会与闪烁体原子发生相互作用，使得原子激发态跃迁到基态的过程中释放出光子，形成闪烁光。
光电倍增管是用来接收和放大闪烁体产生的光信号的装置，它能够将微弱的光信号转化为可观测的电荷脉冲信号。
当闪烁光进入光电倍增管时，会引起光电效应，使得光电倍增管产生电子，并经过倍增过程放大电子数目，最终输出一个与入射粒子能量成正比的电荷脉冲信号。
信号处理系统是用来接收、处理和分析光电倍增管输出的电荷脉冲信号的装置，它能够将电荷脉冲信号转化为能够被计算机或其他数据采集设备读取和分析的数字信号。
信号处理系统通常包括放大器、快门、多道分析器等部分，通过这些部分对电荷脉冲信号进行放大、选择、测量等处理，最终得到入射粒子的能谱和能量信息。
闪烁体探测器的工作原理可以用一个简单的模型来描述，当高能粒子穿过闪烁体材料时，会与闪烁体原子发生相互作用，使得原子激发态跃迁到基态的过程中释放出光子，形成闪烁光。
闪烁光被光电倍增管接收并放大，最终转化为电荷脉冲信号。
信号处理系统对电荷脉冲信号进行处理，得到入射粒子的能谱和能量信息。
总的来说，闪烁体探测器利用闪烁体材料对入射粒子产生的闪烁光进行探测和测量，通过测量闪烁光的强度和时间分布来获取粒子的信息。
它在粒子物理实验和核物理实验中起着重要的作用，是一种常用的粒子探测器。
核物理学与粒子物理学实验
粒子物理学实验成果在科技、经济和社会领域的应用和前 景
科技领域应用：粒子物理学实验为科技领域提供了基础理论和技术支持，如电子显微镜、 医学影像技术等。
经济领域应用：粒子物理学实验成果在材料科学、能源等领域有广泛应用，如新型材料、 新能源等。
社会领域应用：粒子物理学实验成果在环保、安全等领域有重要应用，如辐射检测、核 能安全等。
前景展望：随着科技的不断进步，粒子物理学实验成果的应用前景将更加广阔，如未来 科技、新兴产业等。
实验技术的发展趋势和未来挑战
实验技术不断进步，对微观世界的认识越来越深入 高能物理实验技术不断创新，加速器、探测器等设备日益先进 核能实验技术发展迅速，核聚变、核能发电等应用前景广阔 实验技术面临的挑战：高精度测量、数据处理与分析、实验安全等
ห้องสมุดไป่ตู้数据分析：采用先进的数据处理和分析方法，挖掘更多有价值的信息
实验设计：优化实验方案，减少实验误差和不确定度
05
实验技术的应用和前景
核能和核技术在能源、工业、医学等领域的应用现状和前 景
添加标题
核能在能源领域的应用：核能发电是核能应用的主要领域，具有高效、环保、安全 等优点，是解决能源危机的重要途径之一。
粒子物理实验中常用的探测器类型包括：气泡室、云室、切伦科夫计数器和闪烁计数器等
粒子加速器在粒子物理实验中具有重要作用，可提供高能态的带电粒子束流，以研究粒 子的基本性质和相互作用
粒子实验的主要成果
发现夸克： 1968年，科学 家在粒子加速器 中发现了J/ψ粒 子，进而发现了 夸克的存在。
发现中微子： 1930年，科学 家在核反应堆中 发现中微子的存 在。
03
粒子物理学实验
粒子的基本性质和分类
粒子物理与核物理实验中的数
参考资料
1. 2. 3.
Geant4应用开发手册3.6节 Geant4应用开发手册4.4节 Geant4例子novice/N02,N04
2009-4-22
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102 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 1 1 ...... ...... 11 -11 11 -11 11 -11 23 2 -2 23 22 22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 16 0 0 0 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.25000000E+03 0.51000000E-03 0 0.00000000E+00 0.00000000E+00 -0.25000000E+03 0.51000000E-03 0 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.24999999E+03 0.00000000E+00 0 0.00000000E+00 0.00000000E+00 -0.25000000E+03 0.00000000E+00 0 0.37396914E-02 0.15234913E-02 0.24138585E+03 0.00000000E+00 0 -0.93164320E-02 0.27396574E-01 -0.24687934E+03 0.00000000E+00 0 -0.55767406E-02 0.28920065E-01 -0.54934906E+01 0.48823428E+03 0 0.19070032E+02 0.24337596E+03 -0.48627266E+01 0.33000000E+00 0 -0.19075609E+02 -0.24334704E+03 -0.63076405E+00 0.33000000E+00 26 -0.55767406E-02 0.28920065E-01 -0.54934906E+01 0.48823428E+03 0 0.93164331E-02 -0.27396573E-01 -0.31205891E+01 0.00000000E+00 0 -0.81046576E-03 -0.82301151E-04 0.14162632E+00 0.00000000E+00
粒子物理与核物理实验中数据分析
G4Element* H = new G4Element(name="Hydrogen",symbol="H" , z= 1., a); G4Element* O = new G4Element(name="Oxygen" ,symbol="O" , z= 8., a); density = 1.000*g/cm3; G4Material* H2O = new G4Material(name="Water", density, ncomponents=2); H2O->AddElement(H, natoms=2); H2O->AddElement(O, natoms=1); //定义水，给定密度、元素种类数目、添加元素
• 参考 资料 1) http://geant4.cern.ch 2)Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 506 (2003) 250-303, and IEEE Transactions on Nuclear Science 53 No. 1 (2006) 270-278. 最新版为9.1版，于2008年2月5日发布
2)下载安装CLHEP程序包(这是唯一需要预安装的程 序)
3)下载Geant4软件包以及相应的数据文件(用于各 种物理模型)，按照安装手册进行编译安装
如果系统版本相同(内核版本和g++版本)，把已经 编译好的程序直接复制到其它机器上即可使用。
比如，对SLC3系统，直接复制training服务器 /projects/soft/ext/clhep.tgz和g4.tgz到 本地机器，解压缩到相应目录即可。
天体物理学中的粒子物理与核物理应用研究
天体物理学中的粒子物理与核物理应用研究引言：天体物理学是研究宇宙的物理学分支，关注于探索星系、星云、恒星、行星和其他在宇宙中存在的天体的性质、形成和演化。
而在天体物理学中，粒子物理和核物理的应用研究起着重要的作用。
粒子物理学是研究基本粒子及其相互作用的学科，核物理学则研究原子核的构成、性质以及核反应等。
本文将结合这两个学科，详细解读相关定律、实验准备及过程，并探讨其在天体物理学中的应用。
一、粒子物理学中的定律及其应用1. 等离子体物理学等离子体物理学是研究等离子体（一种高温、高能量状态下电离的气体）的物理学。
其中，等离子体的行为和性质可以通过玻尔兹曼方程、电荷守恒、能量守恒和电流连续性等定律来描述。
实验准备和过程中，可以使用电离室、等离子体反应室等设备来产生和研究等离子体。
而在天体物理学中，等离子体物理学的应用非常广泛。
例如，太阳的外大气层就是一个重要的等离子体环境，研究它的行为有助于了解太阳的物理过程，以及太阳风的产生和演化。
2. 强子物理学强子物理学是研究强子（如质子、中子）和它们的相互作用的学科。
在强子物理学中，有一系列重要的定律，如量子色动力学（QCD）、强相互作用等。
实验中，可以利用粒子加速器、探测器等设备来研究强子的性质和相互作用。
在天体物理学中，强子物理学的应用也非常重要。
例如，宇宙射线是高能粒子，研究其起源和能量来源有助于理解宇宙的演化，并且提供了关于星系和星云形成的信息。
3. 弱互作用弱互作用是粒子物理学中的一种重要相互作用，描述一类粒子的衰变过程。
其定律可以通过费曼规则和费密理论来解释。
在实验中，可以通过大型强子对撞机等设备来产生并研究弱互作用。
在天体物理学中，弱互作用在中子星的形成和爆发过程中起着重要作用，研究此过程有助于揭示中子星的内部结构和演化历史。
4. DIM物理学暗物质与暗能量是目前宇宙学中的两个重大问题，而粒子物理学中的暗物质与暗能量研究正是解决这些问题的关键。
实验准备和过程中，通常使用大型真空室、粒子探测器、探空器等来探测和研究暗物质。
粒子物理与核物理实验中的数据分析00002
根据概率的相对频率定义，在 n 次测量中出现 ti 频率为一次
P(ti
)
1 n
因此，期待值（或平均寿命）为
E[t]
n
ti
i 1
1 n
1 n
n
ti
i 1
思考：如果频率为 mi 次，结果会不同吗？
26/08/2020
21
误差传递
假设
x
( x1 ,...,
xn
) 服从某一联合
p.d.f.
f
( x ) ，我们也许并不
结论：只有1）与4）是合理的。
评论：作为一个合格的实验研究人员，一定要具备判断 结果是否合理的能力！
26/08/2020
11
举例：检查经验概率密度函数
实验上经常经验性地从直方图中给出概率密度函数（例如 通过拟合直方图分布等等），但是需要确定得到的函数是否 满足概率密度函数的定义，例如
1) f (x) x 2 2
j 1
y xi
y x j
Vij
x
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23
误差传递(续二)
两项合起来给出 y(x) 的方差
2 y
V[y]
n y
i, j1 xi
y x j
Vij x
如果 xi 之间是无关的，则Vij i2ij ，那么上式变为
2 y
V[y]
n i 1
2
y xi
x
2 i
证明：由于 A 与 A 根据定义是互斥的，并且从文恩图得到
A A S
因此可以写出
P( A) P( A) P( A A) P(S) 1
P( A) 1 P( A)
26/08/2020
粒子物理与核物理实验中的数据分析lecture_6-PAW与ROOT在数据分析中的应用
2414133 run_615026.dat 1581056 run_615026.ntuple 901766 run_615026.root
58197330 run_615531.dat 内存不够 17552250 run_615531.root
我个人使用 PAW 与 ROOT 的感觉 ::对于单纯的数据处理 ,,PAW 使用 我个人使用 PAW 与 ROOT 的感觉 对于单纯的数据处理 PAW 使用 起来相对容易一些。对于非常复杂的数据结构和多次计算， ROOT 起来相对容易一些。对于非常复杂的数据结构和多次计算， ROOT 12 有它的优点，尤其是在处理数据量在 10 以上的应用。在很多指令 有它的优点，尤其是在处理数据量在 1012 以上的应用。在很多指令 操作上，两者之间有不少一一对应的关系。 操作上，两者之间有不少一一对应的关系。
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
PAW的主要结构
4
新一代的工作平台ROOT
ROOT充分利用了计算机技术的最新发展，并且能适应现代粒子物理实验 对极大数量的数据分析以及模拟要求。在这一点上PAW已经达到了极限。
CERN提供了在不同操作系统运行的免费下载网址：http://root.cern.ch/
5
PAW 与 ROOT
用户界面：PAW ≈ ROOT 图形功能：PAW ≈ ROOT 同等数据处理时间：PAW 快于 ROOT 同等数据存储空间：PAW 大于 ROOT
12
分析数据中的基本PAW指令
PAW>h/fil 1 run_615026.ntuple 0 读入数据文件 PAW>zone 2 2; 在终端显示 2x2 幅图 PAW>n/pl 100.nevent; n/pl 100.pmtid; n/pl 100.time; n/pl 100.charge 画图 PAW>n/pl 100.charge%time pmtid.eq.1 第一根管 t vs. q 的二维散点图 PAW>n/pl 100.charge%time%pmtid 画三维散点图 PAW>h/cr 10 ‘time (ns)’ 100 –50 50 开出一维直方图框架 PAW>n/proj 10 100.time pmtid.eq.1 填第一根管的时间分布直方图 PAW>h/cr 20 ‘t vs. q’ 100 –50 50 100 –10 90 开出二维图框架 PAW>n/proj 20 100.charge%time pmtid.eq.1 填第一根管t vs. q的二维图 PAW>zone 1 2; h/pl 10; h/pl 20 画图 PAW>slix 20 1; h/proj 20; h/pl 20.slix.1 画出在x轴的边缘分布图 PAW>ve/cr ipmt(680); ve/cr x(680); ve/cr y(680); ve/cr z(680) 开设数组 PAW>ve/read ipmt,x,y,z /home/chensm/geom/geom.dat 读入几何数据 PAW>ve/pl y%x 画出 x vs. y 的二维散点图 PAW>picture/print file_name.gif 把当前图形生成 gif 文件
粒子物理和核物理实验中的数据分析
＝
➢将观测直方图乘以修正因子直方图得到理论 (真实)的直方图
＝
20
正规化的解谱法
考虑“合理的”估计量，对选定的logL 满足
r
l o g L () l o g L m a x l o g L
logL描 述 了 数 据 n r与 期
待 值 r之 间 的 “ 距 离 ” 。
r 估计量满足该不等式并且最光滑，等价于 将下式求最大值
这个随机 1/数 放被 大后，结果信 中息 有完 用全 的被非湮 物没 理。 振
所以，通常情接 况求 下反 ，应 直矩阵x的 获方 得法 真， 值尽管理 是严格的，是的 无， 偏但 有结 效果并意 没义 有。 物理
解决办法是进行平滑处理，消除无意义的统计涨落。 但平滑会带来偏向性，需要在涨落与偏向性之间找到平衡。 13
通常取 k=2，使得 S 约等于曲率平方的平均 值。对直方图而言，也就是
r M 2
S( ) (i
2i1i2)2
Sov.
Math.5(1963)1035
i1
注意：2 阶导数对直方图的第一和最后的区 间没有很好的定义。
24
Tikhonov 规则（续）
如果在
log L 1 2
2
下，采用Tikhonov(k=2)规则
注意：,是常数，n会受
到统计涨落的影响。
真实直方图 离散化的p.d.f.
观测数据 和数据的期待值
7
效率、本底
有时，事例可能会不被探测到: 效率
N
N
Rij P(观测值在第i 区|真实值在第j 区)
i1
i1
真实直方图第
P(观测值在全范围|真实值在第j区) j 区探测效率
j(效率)
CERN ROOT-粒子物理与核物理实验中的数据分析-第三讲
利用TMath定义的函数
TF1 *f1 = new TF1("f1","TMath::DiLog(x)",0,10);
利用自定义c++数学函数
Double_t myFun(x) { return x+sqrt(x); } TF1* f1 = new TF1("f1","myFun(x)",0,10);
5
安装ROOT(2)
如果是其它发行版的Linux，首先查看是否ROOT网站上是否 有预编译好的程序包，一般情况下，官方提供SLC4和SLC5 在各种不同CPU以及不同gcc版本下的二进制包， ROOT官网也提供包括Solaris以及Mac OS X以及Windows 下的预编译包。 如果没有适合你的操作系统的预编译包，就需要到官网 http://root.cern.ch 下载ROOT的源代码，按照安装指南 用gmake编译安装。
结论：很不谦虚！
4
安装ROOT(1)
到ROOT主页下载需要的版本到指定目录。 比如要在SLC3系统的/projects/yangzw目录下安装5.16.00版本 (注：最新版本的ROOT已经不为SLC3提供预编译版本了，而为SLC4和SLC5提供) cd /projects/$USER (注：对用户yangzw, $USER=yangzw)
polN:N+1个参数
f(x)=p0+p1*x+p2*x^2+... 其中N=0,1,2,...，使用时根据需要用pol0,pol1,pol2...
landau:3个参数
wget ftp://root.cern.ch/root/root_v5.16.00.Linux.slc3.gcc3.2.3.tar.gz tar –zxvf root_v5.16.00.Linux.slc3.gcc3.2.3.tar.gz 设置ROOT的环境变量 export ROOTSYS=/projects/$USER/root export PATH=$ROOTSYS/bin:$PATH export LD_LIBRARY_PATH=$ROOTSYS/lib:$LD_LIBRARY_PATH 可以把上面这3行放到$HOME/.login或者.bashrc或者.tcshrc文件中， 这样每次登录到Linux系统，系统就自动设置ROOT的环境变量 这样，进入linux系统之后，在终端提示行输入： root 或 root -l 即可进入ROOT环境。
粒子与核物理实验方法
粒子与核物理实验方法粒子与核物理实验方法是研究微观世界的重要手段。
本文将介绍粒子与核物理实验方法的基本原理和常用技术，以及它们在物理研究中的应用。
通过此文，读者将能够了解到粒子与核物理实验方法的工作原理和实验设计，以及其在科学研究和技术应用领域的重要性。
一、粒子与核物理实验方法的基本原理粒子与核物理实验方法是通过研究微观粒子的性质和相互作用来揭示物质的本质和宇宙的构成。
这些实验方法基于量子力学的基本原理，以测量微观粒子的能量、动量、质量、电荷、自旋等物理量来研究它们的性质和相互作用规律。
常见的粒子与核物理实验方法包括粒子加速器、探测器和数据分析等。
二、粒子加速器粒子加速器是粒子与核物理实验中常用的重要设备，用于将带电粒子加速到高能量。
常见的粒子加速器有环形加速器（如质子对撞机）、直线加速器和离子激发器等。
粒子加速器的工作原理是利用电场和磁场对带电粒子进行加速、聚焦和束流，使其达到所需的能量和强度。
通过调节加速器的参数，可以实现对不同类型粒子的加速，进而进行粒子碰撞实验和探测。
三、探测器探测器是粒子与核物理实验中用于测量和记录微观粒子的性质和相互作用的重要装置。
常见的探测器包括射线探测器、计数器、闪烁体、半导体探测器和气体探测器等。
这些探测器可以测量带电粒子的轨迹、能量沉积、衰变产物等信息，并将其转化为电信号进行放大和记录，以便进一步分析和研究。
探测器的精度和分辨率直接影响实验的准确性和可靠性。
四、数据分析数据分析是粒子与核物理实验中的重要环节，通过对实验数据的处理和分析，可以得到有关微观粒子性质和相互作用的相关信息。
数据分析包括数据筛选、噪声去除、背景估计、信号提取、事例重建和参数拟合等。
通过适当的算法和统计方法，可以从庞大的实验数据中提取有用的物理信息，并进行物理建模和理论验证。
五、粒子与核物理实验方法的应用粒子与核物理实验方法在科学研究和技术应用领域具有广泛的应用价值。
在科学研究方面，粒子物理实验方法可以用于研究基本粒子的性质和相互作用，揭示物质的微观结构和宇宙的起源。
物理学中的核物理与粒子物理
物理学中的核物理与粒子物理物理学是自然科学中最基础的学科之一，涵盖了从微观领域到宏观领域的一切现象。
核物理学和粒子物理学是物理学中最具有挑战性的两个分支，它们分别研究原子核和基本粒子的性质和相互作用。
这篇文章将探讨核物理和粒子物理的基本原理和最新进展。
核物理学核物理学研究原子核的构成、性质和相互作用。
原子核由质子和中子组成，它们通过强相互作用相互结合。
质子和中子是由夸克和胶子组成的。
核物理学的研究对象不仅仅是原子核本身，还包括核反应、核能和核技术等方面。
核物理学涉及的主要理论是核结构理论和核反应理论。
核结构理论着重研究原子核的结构和性质，通常采用物理学中的量子力学方法。
核反应理论则着重研究原子核在相互作用过程中所发生的变化，如核衰变和核聚变等过程。
在现代核物理学研究中，核反应是非常重要的一部分，包括核聚变和核裂变等反应。
核聚变是核能的源头之一，是太阳能等宇宙能源的来源，现代核聚变科技也在节能减排、减少对化石能源的依赖方面扮演着越来越重要的角色。
而核裂变则在能源产出的同时，产生了较多的核废料，需要做好废弃物的处理和回收利用。
除了研究原子核的组成和反应，核物理学还涉及到核能和核技术等方面的应用。
核能是一种清洁、高效的能源，可以作为替代化石能源的一种选择。
核技术的应用领域则包括放射性同位素的应用和核医学等。
粒子物理学粒子物理学是研究基本粒子和它们之间的相互作用的学科。
基本粒子是不可再细分的，是物质的最基本单位。
粒子物理学研究的粒子包括电子、质子、中子、光子等等。
粒子物理学的发展史可以追溯到20世纪初，爱因斯坦的光电效应使玄学小道无从下手，需要从本质上认识电子，而不是仅从它们如何运动来理解。
因此，人们提出了微观领域的量子力学和相对论等新的理论框架，进一步推进了粒子物理学的发展。
当前，粒子物理学的热门研究领域包括宇宙学、粒子加速器、弦理论等。
宇宙学研究宇宙的起源和演化过程，是一种广泛的交叉学科，涉及到天文学、粒子物理学和地球科学等。
恒比定时算法
恒比定时算法
恒比定时算法是一种用于确定粒子入射时间的方法，特别是在粒子物理和核物理实验中。
该算法基于恒定幅度触发比来检测核脉冲前沿的到达时刻，能够修正脉冲幅度变化对定时的影响。
在恒比定时算法中，输入模拟信号前沿的恒定比例点被用于定时触发，以形成标准数字信号。
触发数字信号的点只与前沿的恒定比例点有关，而与信号的幅度或前沿宽度无关。
恒比定时技术可以通过调整衰减系数来调整触发比，是在过零定时基础上发展起来的新一代定时技术。
它既采用了过零定时技术，又能调节触发比为最佳，减少时间晃动。
因此，恒比定时结合了前沿定时和过零定时的优点，大大提高了定时精度，是当前粒子物理和核物理应用最广的定时方法。
以上内容仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询相关学者。
《粒子物理和核物理实验方法》核与粒子物理实验方法
粒子物理和核物理实验方法试题20091、实验室常用的三种放射源有哪些，每种列举其一？宇宙射线测大面积闪烁体使用的源是？实验室常用的有三种放射源是a源（24i Am、226Ra）、卩源（90Sr、広）、、源WCo、^Cs、22Na）。
宇宙射线测量大面积闪烁体使用的源是宇宙射线中的卩子。
2、带电粒子与Y与物质相互作用的反应类型以及其发生条件（作业原题）；1.带电粒子与介质的相互作用主要是电磁相互作用。
•电离：当入射带电粒子与介质原子较远时，使介质的原子产生电离或激发。
•击出：当入射带电粒子与介质原子距离-原子大小（10-8cm）时，粒子与原子的电子相互碰撞，使电子从原子中发射出来。
•库仑散射：当入射带电粒子与介质原子距离<原子半径，粒子在核的库仑场中受到核的库仑散射，并伴随弱的电磁辐射。
•韧致辐射：当入射粒子为电子时，将受核的阻尼而发射出光子。
•契仑柯夫辐射：当入射带电粒子速度超过光在介质中的相速度时，粒子会辐射出可见光。
•穿越辐射：当高速带电粒子穿过两种折射系数不同的界面时，辐射出X光。
•同步辐射：当电子在磁场中偏转时，相当于受到加速而产生辐射。
2.Y射线与物质的相互作用主要有三个过程：光电效应、Compton效应和电子对产生。
•光电效应：低能Y光子被介质原子吸收而放出电子的效应。
•康普顿－吴有训效应（散射）：当光子能量上升到原子最高能级以上时，成为主要过程是Y光子与原子外层电子作用，可看作在自由电子上的散射。
•电子对效应：Y光子从原子核旁经过，当Y光子能量超过2个电子静止质量之和即1.02MeV时，在原子核库仑场作用下，Y光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射Y光子能量。
入射Y光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。
3、探测中微子的方法，举两个；一、带电流质子反应：v+p T l+n，我们通过测量轻子「的动量、能量来探测：1。
l•低能VV~+p T e++nee液体闪烁体中含有大量的质子，闪烁体既是靶子又是探测器，测量e、n。
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=λ
举例：光电倍增管暗电流影响
在有11146根PMT的探测 器中，已知每根PMT暗电 流产生的误击中为3.5kHz。 求探测器在任意总长度为 500μs时间段观察到每隔 10ns PMT误击中数目分 别为5和6的总次数
在10ns间隔观测到PMT误 击中的平均数目为
…
得到(n1,n2,…,nm)概率为
f
G (n)
=
N! n1!n2!...nm!
p n1 1
p n2 2
...
p n3 m
平均值 : E[ni ] = Npi
方差 :V[ni ] = Npi (1− pi ) 协方差 :Vij = −Npi p j (i ≠ j)
适适用用于于直直方方图图 频频数数误误差差估估计计。。
MRPC记录的击中数目N’
MRPC探测效率 测量值及其误差
从二项式到多项式分布
类似于二项式分布,但允许结果的可能性m大于两种,概率为
G p = ( p1, p2..., pm )
m
∑ pi = 1
尝试N次，结果为
可能性1：n1 可能性2：n2
G n = (n1, n2 ,..., nm )
i =1
举例：角分布中的前后不对称
e+
e+
θ e-
+ e− → J /ψ → e+ + e− -1 B：后向计数；F：前向计数；N=B+F
0
1
cos θe+e+
若上述过程平均事例数为ν，则观测到N个事例的 概率服从泊松分布
PP
=
e−νν N
N!
在这N个事例中，如果单个事例为前向的概率为f， 则观测到F个前向事例的概率满足二项式分布
E[x] = ∫ xP(x)dx = μ
在在所所有有统统计计问问题题扮扮演演中中心心角角色色，，应应用用于于所所有有科科 学学研研究究领领域域所所涉涉及及的的分分布布。。测测量量误误差差，，特特别别是是 仪仪器器误误差差通通常常用用高高斯斯函函数数来来描描述述其其概概率率分分布布。。 即即使使在在应应用用中中可可能能有有不不恰恰当当的的地地方方，，仍仍然然可可提提 供供与与实实际际情情况况相相近近的的很很好好近近似似。。
10−8 ×11146 × 3500 500μs
= 0.4
平均数
日本超级神冈中微子探测器
= 5 ⇒ 5×104 × 0.45 × e−0.4 ≅ 3(次) 5!
= 6 ⇒ 5×104 × 0.46 × e−0.4 ≅ 0.2(次) 6!
二项式分布与泊松分布
假设一学生站在路边想搭便车。过路的汽车平均 频率为每分钟一辆，服从泊松分布。而每辆车让 搭便车的概率为1%，计算该学生在过了60辆车 以后还未能搭上车的可能性
泊松分布
泊松分布是二项式分布在Ｎ→∞，
p→０和Ｎp=常数λ的极限形式。
P(r)
=
e−λ
λr
r!
平均值 :
E[r] = μ = ∑ rP(r) = λ
著名的统计误差估计式
n± n
适适用用于于稀稀有有衰衰变变过过程程 与与各各种种上上，，下下限限估估计计。。
方差 :
V[r] = σ 2 = E[(r − μ)2 ]
平均值 :
E[r] = μ = ∑ rP(r) = Np
适适用用于于仪仪器器探探 测测效效率率的的计计算算
可以证明其满足 归一化条件
∑ N! pr (1− p)N −r
r r!(N − r)! = [(1− p) + p]N = 1
方差 :
V[r] = σ 2
= E[(r − μ)2 ]
= E[r 2 ] − E 2[r] = Np(1− p)
二项式分布的特点
在在给给定定NN的的情情况况下下，，pp值值越越大大，，概概率率分分布布越越趋趋于于对对称称。。
举例:探测效率
多层阻性板室(MRPC)对带电粒子的探测
效率 宇宙线
闪烁体1与2同时击中给出
闪烁体1
MRPC
穿过MRPC的粒子数N
闪烁体2
p = N' N
Δp = p(1− p) N
粒子物理与核物理实验中的 数据分析
陈少敏 清华大学
第二讲:常用概率密度函数
本讲要点
常用的概率密度函数分布的数学形式 相应的平均值与方差 相关的应用范围
二项式分布
N 次独立测量，每次只有成功
(概率为p)或失败(概率为1-p) 两种可能。得到r次成功的概率
为 P(r) = N! pr (1− p)N −r r!(N − r)!
方差 :
V[x] = E[(x − μ)2 ]
PB
=
N! B!F!
f
F
(1 −
f
)B
观测到上述过程N个事例且有F个为前向事例的概率为
P
=
PP PB
=
e−νf (νf
F!
)F
× e−ν (1− f )[ν (1−
B!
f
)]B
是是前前向向与与后后向向两两 个个独独立立泊泊松松分分布布 的的产产物物！！
直方图中的误差处理
频数
总数N 各区间频数n1,n2,n3…
Probability
例如：对于以平均值为2 的泊松分布而言，相当于
二项式分布中的Np=2。 当N值增大时，为了保持 Np不变，p值相应减小。 可以从右图看出，当N大 于50时，两种分布的区 别几乎可以忽略。
N=10 N=20 N=50 N=100 泊松分布
r successes (or failures)
每个格子的 误差为 ni
观测量
在前述角分布前后不对称的 析，如果将角分布的前后向再 分几个部分，所得到的结论具 有普遍性。即所观测分布的直 方图可看成与
1. 一个事例总数满足泊松分布和 在每个区间得到n1,n2,n3…事例 数为多项式分布有关；
2. 或者是直方图中每个区间互相 独立的泊松分布有关。
ΔN = N
或
(ΔN )2 = N = (Δn1)2 + (Δn2 )2 + (Δn3 )2 + ...
= n1 + n2 + n3 + ... = N
高斯或正态分布
高斯函数具有连续性与对称性，概率密度为
P(x; μ,σ ) = σ
1
2π
exp⎜⎜⎝⎛
−
(x − μ)2 2σ 2
⎟⎟⎠⎞
记为 N(μ,σ)
平均值 :
N=60, p=0.01,r=0
特点：N大p小
根据二项式分布 :
60! 0.010 (1− 0.01)60−0 = 0.5472
0!(60 − 0)!
根据泊松分布 : e−60×0.01 (60 × 0.01)0 = 0.5488 0!
泊泊松松分分布布是是二二项项式式分分布布的的近近似似。。
泊松分布是二项式分布的近似