面向超级τ-charm装置高占用率与复杂环境的一种新颖分段式HLT追踪算法

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：A Novel Segment-Based HLT Tracking Algorithm for High-Occupancy and Complex Environments at the Super Tau-Charm Facility

　　摘要：超级 tau-charm 装置（STCF）是一种下一代正负电子对撞机，设计在质心能量2-7 GeV下运行，在4 GeV时的亮度为0.5×10^35 cm^-2 s^-1。其高亮度环境对主漂移室（MDC）中的高级触发（HLT）跟踪构成了挑战：需要在探测器占用率升高的情况下实现预期的物理性能，同时保持可持续的计算延迟。HLT在软件平台上实现，处理对撞机实验触发系统中最复杂的任务。高占用率增加了段图遍历的复杂性，导致更长的计算延迟。为解决这一问题，提出了一种基于轨道段的新颖HLT跟踪算法。该算法构建了包含11个预定义模式的模式库，以实现快速的段分类。记录段连接的边矩阵使用位置、动量和时间准则进行优化，以抑制错误链接，并将立体超层段合并以提高轨道一致性。这些措施显著减少了存储段数量和边矩阵大小，从而降低了全局跟踪的复杂性。即使在25%的占用率下，全局跟踪的元素数量也减少到约400-500个，而边矩阵密度保持在1%以下。在连通分量内使用深度优先搜索（DFS），该算法在5%至25%的占用率范围内保持稳定的性能，实现约75%至30%的背景击中拒绝率。与STCF离线重建的验证确认，所提出的HLT算法在保持高信号击中效率的同时，不会显著降低离线跟踪效率或重建精度。在保持高信号击中效率和宽占用率范围内跟踪稳定性的同时，该算法的典型计算延迟约为200毫秒。I. 引言触发系统是强子和正负电子碰撞实验中探测器光谱仪不可或缺的一部分，其主要任务是实现实时在线事件选择，消除背景数据，并最小化存储的数据大小。无论是在经典触发架构还是纯软件触发架构中，最复杂的算法都在高级触发（HLT）中实现。纯软件触发架构在软件平台上实现一级（L1）触发功能，而不是在专用硬件上。HLT面临延迟与性能之间的权衡。在HLT中，设计了一种跟踪算法以实现高跟踪效率，从而进行准确的后续重建。它占总延迟的很大一部分，通常在数百毫秒的量级：例如，在ATLAS中，在质子-质子（p-p）碰撞中，中等复杂度的事件约为300毫秒（堆积为51）；在CMS中约为100毫秒（在质心能量为13.6 TeV、平均堆积为57的p-p碰撞中测量）；在Belle II中，对于相关事件超过300毫秒。对于基于大型气态探测器（如漂移室和时间投影室（TPC））的跟踪器系统，轨道中更多的信号击会产生更加复杂的跟踪环境。因此，HLT跟踪算法在延迟与性能的权衡中面临更大的压力。