Changes to EventReconstructor...:
[u/mrichter/AliRoot.git] / MUON / AliMUONTrack.cxx
1 /**************************************************************************
2  * Copyright(c) 1998-1999, ALICE Experiment at CERN, All rights reserved. *
3  *                                                                        *
4  * Author: The ALICE Off-line Project.                                    *
5  * Contributors are mentioned in the code where appropriate.              *
6  *                                                                        *
7  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and its   *
8  * documentation strictly for non-commercial purposes is hereby granted   *
9  * without fee, provided that the above copyright notice appears in all   *
10  * copies and that both the copyright notice and this permission notice   *
11  * appear in the supporting documentation. The authors make no claims     *
12  * about the suitability of this software for any purpose. It is          *
13  * provided "as is" without express or implied warranty.                  *
14  **************************************************************************/
15
16 /*
17 $Log$
18 Revision 1.3  2000/06/25 13:23:28  hristov
19 stdlib.h needed for non-Linux compilation
20
21 Revision 1.2  2000/06/15 07:58:48  morsch
22 Code from MUON-dev joined
23
24 Revision 1.1.2.3  2000/06/12 10:11:34  morsch
25 Dummy copy constructor and assignment operator added
26
27 Revision 1.1.2.2  2000/06/09 12:58:05  gosset
28 Removed comment beginnings in Log sections of .cxx files
29 Suppressed most violations of coding rules
30
31 Revision 1.1.2.1  2000/06/07 14:44:53  gosset
32 Addition of files for track reconstruction in C++
33 */
34
35 //__________________________________________________________________________
36 //
37 // Reconstructed track in ALICE dimuon spectrometer
38 //__________________________________________________________________________
39
40 #include "AliMUONTrack.h"
41
42 #include <iostream.h>
43
44 #include <TClonesArray.h>
45 #include <TMinuit.h>
46 #include <TMath.h>
47 #include <TMatrix.h>
48
49 #include "AliMUONEventReconstructor.h" 
50 #include "AliMUONHitForRec.h" 
51 #include "AliMUONSegment.h" 
52 #include "AliMUONTrackHit.h"
53
54 #include <stdlib.h>
55
56 // variables to be known from minimization functions
57 static AliMUONTrack *trackBeingFitted;
58 static AliMUONTrackParam *trackParamBeingFitted;
59
60 // Functions to be minimized with Minuit
61 void TrackChi2(Int_t &NParam, Double_t *Gradient, Double_t &Chi2, Double_t *Param, Int_t Flag);
62 void TrackChi2MCS(Int_t &NParam, Double_t *Gradient, Double_t &Chi2, Double_t *Param, Int_t Flag);
63
64 Double_t MultipleScatteringAngle2(AliMUONTrackHit *TrackHit);
65
66 ClassImp(AliMUONTrack) // Class implementation in ROOT context
67
68   //__________________________________________________________________________
69 AliMUONTrack::AliMUONTrack(AliMUONSegment* BegSegment, AliMUONSegment* EndSegment, AliMUONEventReconstructor* EventReconstructor)
70 {
71   // Constructor from two Segment's
72   fEventReconstructor = EventReconstructor; // link back to EventReconstructor
73   // memory allocation for the TClonesArray of reconstructed TrackHit's
74   fTrackHitsPtr = new  TClonesArray("AliMUONTrackHit", 10);
75   fNTrackHits = 0;
76   AddSegment(BegSegment); // add hits from BegSegment
77   AddSegment(EndSegment); // add hits from EndSegment
78   fTrackHitsPtr->Sort(); // sort TrackHits according to increasing Z
79   SetTrackParamAtVertex(); // set track parameters at vertex
80   fFitMCS = 0;
81   return;
82 }
83
84   //__________________________________________________________________________
85 AliMUONTrack::AliMUONTrack(AliMUONSegment* Segment, AliMUONHitForRec* HitForRec, AliMUONEventReconstructor* EventReconstructor)
86 {
87   // Constructor from one Segment and one HitForRec
88   fEventReconstructor = EventReconstructor; // link back to EventReconstructor
89   // memory allocation for the TClonesArray of reconstructed TrackHit's
90   fTrackHitsPtr = new  TClonesArray("AliMUONTrackHit", 10);
91   fNTrackHits = 0;
92   AddSegment(Segment); // add hits from Segment
93   AddHitForRec(HitForRec); // add HitForRec
94   fTrackHitsPtr->Sort(); // sort TrackHits according to increasing Z
95   SetTrackParamAtVertex(); // set track parameters at vertex
96   fFitMCS = 0;
97   return;
98 }
99
100 AliMUONTrack::AliMUONTrack (const AliMUONTrack& MUONTrack)
101 {
102 // Dummy copy constructor
103 }
104
105 AliMUONTrack & AliMUONTrack::operator=(const AliMUONTrack& MUONTrack)
106 {
107 // Dummy assignment operator
108     return *this;
109 }
110
111   //__________________________________________________________________________
112 void AliMUONTrack::SetFitMCS(Int_t FitMCS)
113 {
114   // Set track fit option with or without multiple Coulomb scattering
115   // from "FitMCS" argument: 0 without, 1 with
116   fFitMCS = FitMCS;
117   // better implementation with enum(with, without) ????
118   return;
119 }
120
121 // Inline functions for Get and Set: inline removed because it does not work !!!!
122 AliMUONTrackParam* AliMUONTrack::GetTrackParamAtVertex(void) {
123   // Get pointer to fTrackParamAtVertex
124   return &fTrackParamAtVertex;}
125 AliMUONTrackParam* AliMUONTrack::GetTrackParamAtFirstHit(void) {
126   // Get pointer to TrackParamAtFirstHit
127   return ((AliMUONTrackHit*) (fTrackHitsPtr->First()))->GetTrackParam();}
128 TClonesArray* AliMUONTrack::GetTrackHitsPtr(void) {
129   // Get fTrackHitsPtr
130   return fTrackHitsPtr;}
131 Int_t AliMUONTrack::GetNTrackHits(void) {
132   // Get fNTrackHits
133   return fNTrackHits;}
134
135   //__________________________________________________________________________
136 void AliMUONTrack::RecursiveDump(void)
137 {
138   // Recursive dump of AliMUONTrack, i.e. with dump of TrackHit's and HitForRec's
139   AliMUONTrackHit *trackHit;
140   AliMUONHitForRec *hitForRec;
141   cout << "Recursive dump of Track: " << this << endl;
142   // Track
143   this->Dump();
144   for (Int_t trackHitIndex = 0; trackHitIndex < fNTrackHits; trackHitIndex++) {
145     trackHit = (AliMUONTrackHit*) ((*fTrackHitsPtr)[trackHitIndex]);
146     // TrackHit
147     cout << "TrackHit: " << trackHit << " (index: " << trackHitIndex << ")" << endl;
148     trackHit->Dump();
149     hitForRec = trackHit->GetHitForRecPtr();
150     // HitForRec
151     cout << "HitForRec: " << hitForRec << endl;
152     hitForRec->Dump();
153   }
154   return;
155 }
156
157   //__________________________________________________________________________
158 void AliMUONTrack::Fit(AliMUONTrackParam *TrackParam, Int_t NParam)
159 {
160   // Fit the current track ("this"),
161   // starting with track parameters pointed to by "TrackParam",
162   // and with 3 or 5 parameters ("NParam"):
163   // 3 if one keeps X and Y fixed in "TrackParam",
164   // 5 if one lets them vary.
165   if ((NParam != 3) && (NParam != 5)) {
166     cout << "ERROR in AliMUONTrack::Fit, NParam = " << NParam;
167     cout << " , i.e. neither 3 nor 5 ====> EXIT" << endl;
168     exit(0); // right instruction for exit ????
169   }
170   Int_t error = 0;
171   Double_t arg[1], benC, errorParam, invBenP, lower, nonBenC, upper, x, y;
172   TString parName;
173   TMinuit *minuit = new TMinuit(5);
174   trackBeingFitted = this; // for the track to be known from the function to minimize
175   trackParamBeingFitted = TrackParam; // for the track parameters to be known from the function to minimize; possible to use only Minuit parameters ????
176   // try to use TVirtualFitter to get this feature automatically !!!!
177   minuit->mninit(5, 10, 7); // sysrd, syswr, syssa: useful ????
178   // how to go faster ???? choice of Minuit parameters like EDM ????
179   // choice of function to be minimized according to fFitMCS
180   if (fFitMCS == 0) minuit->SetFCN(TrackChi2);
181   else minuit->SetFCN(TrackChi2MCS);
182   minuit->SetPrintLevel(1); // More printing !!!!
183   // set first 3 parameters
184   // could be tried with no limits for the search (min=max=0) ????
185   minuit->mnparm(0, "InvBenP",
186                  TrackParam->GetInverseBendingMomentum(),
187                  0.003, -0.4, 0.4, error);
188   minuit->mnparm(1, "BenS",
189                  TrackParam->GetBendingSlope(),
190                  0.001, -0.5, 0.5, error);
191   minuit->mnparm(2, "NonBenS",
192                  TrackParam->GetNonBendingSlope(),
193                  0.001, -0.5, 0.5, error);
194   if (NParam == 5) {
195     // set last 2 parameters (no limits for the search: min=max=0)
196     minuit->mnparm(3, "X",
197                    TrackParam->GetNonBendingCoor(),
198                    0.03, 0.0, 0.0, error);
199     minuit->mnparm(4, "Y",
200                    TrackParam->GetBendingCoor(),
201                    0.10, 0.0, 0.0, error);
202   }
203   // search without gradient calculation in the function
204   minuit->mnexcm("SET NOGRADIENT", arg, 0, error);
205   // minimization
206   minuit->mnexcm("MINIMIZE", arg, 0, error);
207   // exit from Minuit
208   minuit->mnexcm("EXIT", arg, 0, error); // necessary ????
209   // print results
210   minuit->mnpout(0, parName, invBenP, errorParam, lower, upper, error);
211   minuit->mnpout(1, parName, benC, errorParam, lower, upper, error);
212   minuit->mnpout(2, parName, nonBenC, errorParam, lower, upper, error);
213   if (NParam == 5) {
214     minuit->mnpout(3, parName, x, errorParam, lower, upper, error);
215     minuit->mnpout(4, parName, y, errorParam, lower, upper, error);
216   }
217   // result of the fit into track parameters
218   TrackParam->SetInverseBendingMomentum(invBenP);
219   TrackParam->SetBendingSlope(benC);
220   TrackParam->SetNonBendingSlope(nonBenC);
221   if (NParam == 5) {
222     TrackParam->SetNonBendingCoor(x);
223     TrackParam->SetBendingCoor(y);
224   }
225   trackBeingFitted = NULL;
226   delete minuit;
227 }
228
229   //__________________________________________________________________________
230 void AliMUONTrack::AddSegment(AliMUONSegment* Segment)
231 {
232   // Add Segment
233   AddHitForRec(Segment->GetHitForRec1()); // 1st hit
234   AddHitForRec(Segment->GetHitForRec2()); // 2nd hit
235 }
236
237   //__________________________________________________________________________
238 void AliMUONTrack::AddHitForRec(AliMUONHitForRec* HitForRec)
239 {
240   // Add HitForRec
241   new ((*fTrackHitsPtr)[fNTrackHits]) AliMUONTrackHit(HitForRec);
242   fNTrackHits++;
243 }
244
245   //__________________________________________________________________________
246 void AliMUONTrack::SetTrackParamAtHit(Int_t indexHit, AliMUONTrackParam *TrackParam)
247 {
248   // Set track parameters at TrackHit with index "indexHit"
249   // from the track parameters pointed to by "TrackParam".
250   AliMUONTrackHit* trackHit = (AliMUONTrackHit*) ((*fTrackHitsPtr)[indexHit]);
251   trackHit->SetTrackParam(TrackParam);
252 }
253
254   //__________________________________________________________________________
255 void AliMUONTrack::SetTrackParamAtVertex()
256 {
257   // Set track parameters at vertex.
258   // TrackHit's are assumed to be only in stations(1..) 4 and 5,
259   // and sorted according to increasing Z..
260   // Parameters are calculated from information in HitForRec's
261   // of first and last TrackHit's.
262   AliMUONTrackParam *trackParam =
263     &fTrackParamAtVertex; // pointer to track parameters
264   // Pointer to HitForRec of first TrackHit
265   AliMUONHitForRec *firstHit =
266     ((AliMUONTrackHit*) (fTrackHitsPtr->First()))->GetHitForRecPtr();
267   // Pointer to HitForRec of last TrackHit
268   AliMUONHitForRec *lastHit =
269     ((AliMUONTrackHit*) (fTrackHitsPtr->Last()))->GetHitForRecPtr();
270   // Z difference between first and last hits
271   Double_t deltaZ = firstHit->GetZ() - lastHit->GetZ();
272   // bending slope in stations(1..) 4 and 5
273   Double_t bendingSlope =
274     (firstHit->GetBendingCoor() - lastHit->GetBendingCoor()) / deltaZ;
275   trackParam->SetBendingSlope(bendingSlope);
276   // impact parameter
277   Double_t impactParam =
278     firstHit->GetBendingCoor() - bendingSlope * firstHit->GetZ(); // same if from firstHit and  lastHit ????
279   // signed bending momentum
280   Double_t signedBendingMomentum =
281     fEventReconstructor->GetBendingMomentumFromImpactParam(impactParam);
282   trackParam->SetInverseBendingMomentum(1.0 / signedBendingMomentum);
283   // bending slope at vertex
284   trackParam->
285     SetBendingSlope(bendingSlope +
286                     impactParam / fEventReconstructor->GetSimpleBPosition());
287   // non bending slope
288   Double_t nonBendingSlope =
289     (firstHit->GetNonBendingCoor() - lastHit->GetNonBendingCoor()) / deltaZ;
290   trackParam->SetNonBendingSlope(nonBendingSlope);
291   // vertex coordinates at (0,0,0)
292   trackParam->SetZ(0.0);
293   trackParam->SetBendingCoor(0.0);
294   trackParam->SetNonBendingCoor(0.0);
295 }
296
297   //__________________________________________________________________________
298 void TrackChi2(Int_t &NParam, Double_t *Gradient, Double_t &Chi2, Double_t *Param, Int_t Flag)
299 {
300   // Return the "Chi2" to be minimized with Minuit for track fitting,
301   // with "NParam" parameters
302   // and their current values in array pointed to by "Param".
303   // Assumes that the track hits are sorted according to increasing Z.
304   // Track parameters at each TrackHit are updated accordingly.
305   // Multiple Coulomb scattering is not taken into account
306   AliMUONTrackHit* hit;
307   AliMUONTrackParam param1;
308   Int_t hitNumber;
309   Double_t zHit;
310   Chi2 = 0.0; // initialize Chi2
311   // copy of track parameters to be fitted
312   param1 = *trackParamBeingFitted;
313   // Minuit parameters to be fitted into this copy
314   param1.SetInverseBendingMomentum(Param[0]);
315   param1.SetBendingSlope(Param[1]);
316   param1.SetNonBendingSlope(Param[2]);
317   if (NParam == 5) {
318     param1.SetNonBendingCoor(Param[3]);
319     param1.SetBendingCoor(Param[4]);
320   }
321   // Follow track through all planes of track hits
322   for (hitNumber = 0; hitNumber < trackBeingFitted->GetNTrackHits(); hitNumber++) {
323     hit = (AliMUONTrackHit*) (*(trackBeingFitted->GetTrackHitsPtr()))[hitNumber];
324     zHit = hit->GetHitForRecPtr()->GetZ();
325     // do something special if 2 hits with same Z ????
326     // security against infinite loop ????
327     (&param1)->ExtrapToZ(zHit); // extrapolation
328     hit->SetTrackParam(&param1);
329     // Increment Chi2
330     // done hit per hit, with hit resolution,
331     // and not with point and angle like in "reco_muon.F" !!!!
332     // Needs to add multiple scattering contribution ????
333     Double_t dX =
334       hit->GetHitForRecPtr()->GetNonBendingCoor() - (&param1)->GetNonBendingCoor();
335     Double_t dY =
336       hit->GetHitForRecPtr()->GetBendingCoor() - (&param1)->GetBendingCoor();
337     Chi2 =
338       Chi2 +
339       dX * dX / hit->GetHitForRecPtr()->GetNonBendingReso2() +
340       dY * dY / hit->GetHitForRecPtr()->GetBendingReso2();
341   }
342 }
343
344   //__________________________________________________________________________
345 void TrackChi2MCS(Int_t &NParam, Double_t *Gradient, Double_t &Chi2, Double_t *Param, Int_t Flag)
346 {
347   // Return the "Chi2" to be minimized with Minuit for track fitting,
348   // with "NParam" parameters
349   // and their current values in array pointed to by "Param".
350   // Assumes that the track hits are sorted according to increasing Z.
351   // Track parameters at each TrackHit are updated accordingly.
352   // Multiple Coulomb scattering is taken into account with covariance matrix.
353   AliMUONTrackParam param1;
354   Chi2 = 0.0; // initialize Chi2
355   // copy of track parameters to be fitted
356   param1 = *trackParamBeingFitted;
357   // Minuit parameters to be fitted into this copy
358   param1.SetInverseBendingMomentum(Param[0]);
359   param1.SetBendingSlope(Param[1]);
360   param1.SetNonBendingSlope(Param[2]);
361   if (NParam == 5) {
362     param1.SetNonBendingCoor(Param[3]);
363     param1.SetBendingCoor(Param[4]);
364   }
365
366   AliMUONTrackHit* hit, hit1, hit2, hit3;
367   Bool_t GoodDeterminant;
368   Int_t hitNumber, hitNumber1, hitNumber2, hitNumber3;
369   Double_t zHit[10], paramBendingCoor[10], paramNonBendingCoor[10], ap[10];
370   Double_t hitBendingCoor[10], hitNonBendingCoor[10];
371   Double_t hitBendingReso2[10], hitNonBendingReso2[10];
372   Int_t numberOfHit = TMath::Min(trackBeingFitted->GetNTrackHits(), 10);
373   TMatrix *covBending = new TMatrix(numberOfHit, numberOfHit);
374   TMatrix *covNonBending = new TMatrix(numberOfHit, numberOfHit);
375
376   // Predicted coordinates and  multiple scattering angles are first calculated
377   for (hitNumber = 0; hitNumber < numberOfHit; hitNumber++) {
378     hit = (AliMUONTrackHit*) (*(trackBeingFitted->GetTrackHitsPtr()))[hitNumber];
379     zHit[hitNumber] = hit->GetHitForRecPtr()->GetZ();
380     // do something special if 2 hits with same Z ????
381     // security against infinite loop ????
382     (&param1)->ExtrapToZ(zHit[hitNumber]); // extrapolation
383     hit->SetTrackParam(&param1);
384     paramBendingCoor[hitNumber]= (&param1)->GetBendingCoor();
385     paramNonBendingCoor[hitNumber]= (&param1)->GetNonBendingCoor();
386     hitBendingCoor[hitNumber]= hit->GetHitForRecPtr()->GetBendingCoor();
387     hitNonBendingCoor[hitNumber]= hit->GetHitForRecPtr()->GetNonBendingCoor();
388     hitBendingReso2[hitNumber]= hit->GetHitForRecPtr()->GetBendingReso2();
389     hitNonBendingReso2[hitNumber]= hit->GetHitForRecPtr()->GetNonBendingReso2();
390     ap[hitNumber] = MultipleScatteringAngle2(hit); // multiple scatt. angle ^2  
391   }
392
393   // Calculates the covariance matrix
394   for (hitNumber1 = 0; hitNumber1 < numberOfHit; hitNumber1++) {    
395     for (hitNumber2 = hitNumber1; hitNumber2 < numberOfHit; hitNumber2++) {
396       (*covBending)(hitNumber1, hitNumber2) = 0;
397       (*covBending)(hitNumber2, hitNumber1) = 0;
398       if (hitNumber1 == hitNumber2){ // diagonal elements
399         (*covBending)(hitNumber2, hitNumber1) =
400           (*covBending)(hitNumber2, hitNumber1) + hitBendingReso2[hitNumber1];
401       }
402       // Multiple Scattering...  loop on upstream chambers ??
403       for (hitNumber3 = 0; hitNumber3 < hitNumber1; hitNumber3++){      
404         (*covBending)(hitNumber2, hitNumber1) =
405           (*covBending)(hitNumber2, hitNumber1) +
406           ((zHit[hitNumber1] - zHit[hitNumber3]) *
407            (zHit[hitNumber2] - zHit[hitNumber3]) * ap[hitNumber3]); 
408       }  
409       (*covNonBending)(hitNumber1, hitNumber2) = 0;
410       (*covNonBending)(hitNumber2, hitNumber1) =
411         (*covBending)(hitNumber2, hitNumber1);
412       if (hitNumber1 == hitNumber2) {  // diagonal elements
413         (*covNonBending)(hitNumber2, hitNumber1) =
414           (*covNonBending)(hitNumber2, hitNumber1) -
415           hitBendingReso2[hitNumber1] + hitNonBendingReso2[hitNumber1] ;
416       }      
417     }
418   }
419
420   // Inverts covariance matrix 
421   GoodDeterminant = kTRUE;
422   if (covBending->Determinant() != 0) {
423     covBending->Invert();
424   } else {
425     GoodDeterminant = kFALSE;
426     cout << "Warning in ChiMCS  Determinant Bending=0: " << endl;  
427   }
428   if (covNonBending->Determinant() != 0){
429     covNonBending->Invert();
430   } else {
431     GoodDeterminant = kFALSE;
432     cout << "Warning in ChiMCS  Determinant non Bending=0: " << endl;  
433   }
434   
435   // Calculates Chi2
436   if (GoodDeterminant) { // with Multiple Scattering if inversion correct
437     for (hitNumber1=0; hitNumber1 < numberOfHit ; hitNumber1++){ 
438       for (hitNumber2=0; hitNumber2 < numberOfHit; hitNumber2++){
439         Chi2 = Chi2 +
440           ((*covBending)(hitNumber2, hitNumber1) * 
441            (hitBendingCoor[hitNumber1] - paramBendingCoor[hitNumber1]) *
442            (hitBendingCoor[hitNumber2] - paramBendingCoor[hitNumber2]));
443         Chi2 = Chi2 +
444           ((*covNonBending)(hitNumber2, hitNumber1) *
445            (hitNonBendingCoor[hitNumber1] - paramNonBendingCoor[hitNumber1]) *
446            (hitNonBendingCoor[hitNumber2] - paramNonBendingCoor[hitNumber2]));
447       }
448     }
449   } else {  // without Multiple Scattering if inversion impossible
450     for (hitNumber1=0; hitNumber1 < numberOfHit ; hitNumber1++) { 
451       Chi2 = Chi2 +
452         ((hitBendingCoor[hitNumber1] - paramBendingCoor[hitNumber1]) *
453          (hitBendingCoor[hitNumber1] - paramBendingCoor[hitNumber1]) /
454          hitBendingReso2[hitNumber1]);
455       Chi2 = Chi2 +
456         ((hitNonBendingCoor[hitNumber1] - paramNonBendingCoor[hitNumber1]) *
457          (hitNonBendingCoor[hitNumber1] - paramNonBendingCoor[hitNumber1]) /
458          hitNonBendingReso2[hitNumber1]);      
459     }
460   }
461   
462   delete covBending;
463   delete covNonBending;
464 }
465
466 Double_t MultipleScatteringAngle2(AliMUONTrackHit *TrackHit)
467 {
468   // Returns square of multiple Coulomb scattering angle
469   // at TrackHit pointed to by "TrackHit"
470   Double_t slopeBending, slopeNonBending, radiationLength, inverseBendingMomentum2, inverseTotalMomentum2;
471   Double_t varMultipleScatteringAngle;
472   AliMUONTrackParam *param = TrackHit->GetTrackParam();
473   slopeBending = param->GetBendingSlope();
474   slopeNonBending = param->GetNonBendingSlope();
475   // thickness in radiation length for the current track,
476   // taking local angle into account
477   radiationLength =
478     trackBeingFitted->GetEventReconstructor()->GetChamberThicknessInX0() *
479     TMath::Sqrt(1.0 +
480                 slopeBending * slopeBending + slopeNonBending * slopeNonBending);
481   inverseBendingMomentum2 = 
482     param->GetInverseBendingMomentum() * param->GetInverseBendingMomentum();
483   inverseTotalMomentum2 =
484     inverseBendingMomentum2 * (1.0 + slopeBending*slopeBending) /
485     (1.0 + slopeBending *slopeBending + slopeNonBending * slopeNonBending); 
486   varMultipleScatteringAngle = 0.0136 * (1.0 + 0.038 * TMath::Log(radiationLength));
487   varMultipleScatteringAngle = inverseTotalMomentum2 * radiationLength *
488     varMultipleScatteringAngle * varMultipleScatteringAngle;
489   return varMultipleScatteringAngle;
490 }