액체 아르곤 시간투영챔버(LArTPC) 전자 표류 재결합 & 1,000Hz 0-Alloc C# 중성미자 3차원 비적 복원 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.NeutrinoLArTpc
{
    /// <summary>
    /// LArTPC 검출기 환경 및 전리 신호 상태 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct LArTpcHitState
    {
        public double DriftElectricFieldVcm { get; } // 표류 전기장 E (V/cm)
        public double DriftTimeMicroSec { get; }     // 표류 시간 (us)
        public double CollectedChargeAdc { get; }    // 와이어 수집 ADC 전하량
        public double WirePitchDistanceCm { get; }   // 비적 단위 길이 dx (cm)
        public double ElectronLifetimeMs { get; }    // 전자 수명 tau_e (ms)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LArTpcHitState(double eField, double driftTime, double charge, double dx, double lifetime)
        {
            DriftElectricFieldVcm = eField;
            DriftTimeMicroSec = driftTime;
            CollectedChargeAdc = charge;
            WirePitchDistanceCm = dx;
            ElectronLifetimeMs = lifetime;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 액체 아르곤 전리 재결합 역보정 및 dE/dx 입자 식별 엔진
    /// </summary>
    public ref struct LArTpcReconstructionEngine
    {
        private const double WionEv = 23.6;          // Ar 전리 에너지 (eV/pair)
        private const double BirksA = 0.800;         // Birks 파라미터 A
        private const double BirksKb = 0.0486;       // Birks 파라미터 k_B
        private const double LArDensity = 1.396;     // 액체 아르곤 밀도 (g/cm^3)

        private double _accumulatedEnergyMev;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public LArTpcReconstructionEngine(double initialEnergy)
        {
            _accumulatedEnergyMev = initialEnergy;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 실시간 루프 (dt = 0.001s) 표류 감쇄 보정 및 dE/dx 에너지 역산
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in LArTpcHitState state,
            out double driftDistanceMeters,
            out double correctedChargeElectrons,
            out double dEdxMevPerCm,
            out bool isMuonTrackStopping)
        {
            // 1. 87K 액체 아르곤 표류 속도 근사 (E = 500 V/cm 일 때 v_d ~ 1.6 mm/us)
            // v_d = (0.16 * sqrt(E/500)) in cm/us
            double driftVelocityCmPerUs = 0.16 * Math.Sqrt(Math.Max(10.0, state.DriftElectricFieldVcm) / 500.0);
            driftDistanceMeters = (driftVelocityCmPerUs * state.DriftTimeMicroSec) * 0.01;

            // 2. 전자 수명 감쇄 지수 역보정 Q_0 = Q_collected * exp(t / tau_e)
            double tMs = state.DriftTimeMicroSec * 1e-3;
            double lifetimeCorrection = Math.Exp(tMs / Math.Max(0.1, state.ElectronLifetimeMs));
            
            // ADC -> 전자 수 환산 (채널당 게인 ~ 200 e-/ADC)
            double electronsAtWire = state.CollectedChargeAdc * 200.0;
            correctedChargeElectrons = electronsAtWire * lifetimeCorrection;

            // 3. 수정된 벅스(Modified Birks) 재결합 역산: dQ/dx -> dE/dx
            // dQ/dx = (dE/dx) * (A / W_ion) / [1 + (k_B / (rho * E)) * (dE/dx)]
            double dQdx = correctedChargeElectrons / Math.Max(0.01, state.WirePitchDistanceCm);
            
            // 1차 해석적 근사 역산
            double eFieldKvCm = state.DriftElectricFieldVcm * 1e-3;
            double denom = (BirksA / (WionEv * 1e-6)) - (dQdx * (BirksKb / (LArDensity * eFieldKvCm)));
            
            if (denom > 1e-6)
            {
                dEdxMevPerCm = dQdx / denom;
            }
            else
            {
                dEdxMevPerCm = 2.1; // 최소 전리 입자(MIP) 기본값 2.1 MeV/cm
            }

            // 4. 뮤온 브래그 피크(Bragg Peak) 정지점 식별 (dE/dx > 4.5 MeV/cm)
            isMuonTrackStopping = dEdxMevPerCm >= 4.5;

            _accumulatedEnergyMev += dEdxMevPerCm * state.WirePitchDistanceCm;
        }
    }
}