利用ATLAS實(shí)驗(yàn)測(cè)量在7TeV質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞過程中Wr-Zr電子衰變道的產(chǎn)生截面.pdf

1、物質(zhì)是如何獲得質(zhì)量的?為什么自然界中能見到物質(zhì)的都是正物質(zhì)，占宇宙總體96％的暗物質(zhì)和暗能量在哪里?自從宇宙誕生以來(lái)物質(zhì)是如何演化的?研究微觀世界及粒子間的相互作用規(guī)律不僅可以使人們對(duì)自然界的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)知其然，而且可以知其所以然。隨著人類社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，我們對(duì)物質(zhì)世界的本源有了越來(lái)越深入的認(rèn)識(shí)，但是仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒有到盡頭。自從標(biāo)準(zhǔn)模型(The Standard Model)理論在上世紀(jì)七十年代建立以來(lái)，人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更為全面和

2、系統(tǒng)了。到目前為止，標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)近似“完美”的理論，除了“上帝粒子”黑格斯(Higgs)粒子以外，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言過的其它粒子都已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中找到，而且理論預(yù)言值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果也保持了高度的一致，由此，標(biāo)準(zhǔn)模型理論獲得了前所未有的巨大成功。當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)模型理論不是粒子物理的全部，目前標(biāo)準(zhǔn)模型理論中仍然有很多問題等待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，例如標(biāo)準(zhǔn)模型理論的重要組成部分-黑格斯粒子仍尚未在實(shí)驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn)；標(biāo)準(zhǔn)模型以外還可能存在著許多新的物理，尤其是在近二

3、十年，隨著各種超標(biāo)準(zhǔn)模型理論的提出，在更高的能區(qū)內(nèi)，精確地驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型理論，尋找黑格斯粒子，檢驗(yàn)各種超標(biāo)準(zhǔn)模型理論成了當(dāng)今粒子物理實(shí)驗(yàn)的重要目標(biāo)。為了從微觀世界揭開宇宙起源的奧秘，研究宇宙產(chǎn)生初期的環(huán)境，物理學(xué)家設(shè)計(jì)了各種粒子物理實(shí)驗(yàn)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC(The Large Hadron.Collider)就是進(jìn)行這一模擬過程的“利器”。隨著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的建成運(yùn)轉(zhuǎn)，人類又站到了一個(gè)新的至高點(diǎn)上。
　　 高能粒子對(duì)撞機(jī)是

4、研究物質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)和相互作用規(guī)律的重要、有效的工具。高能物理的研究和其研究手段的每次重大突破都會(huì)帶來(lái)物理學(xué)新領(lǐng)域、新方向的發(fā)展，甚至新的學(xué)科分支的產(chǎn)生。它對(duì)于加深人類對(duì)物質(zhì)世界更深層次基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)有著重要意義。歐洲核子中心(CERN，EuropeanOrganization for Nuclcar Research)在瑞法邊境建造的，新開始運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC，在過去兩年多時(shí)間里，成為了整個(gè)世界矚目的焦點(diǎn)。LHC位于日內(nèi)瓦侏羅

5、山下，其加速環(huán)形周長(zhǎng)約27km，設(shè)計(jì)的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞的質(zhì)心碰撞能量最高可以達(dá)到14TeV，在對(duì)撞束流團(tuán)間隔為25 ns時(shí)，對(duì)撞粒子束流亮度峰值可達(dá)1034 cm-2s-1。LHC是世界上能量最高的粒子對(duì)撞機(jī)，也是目前世界上最大的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。LHC的超高能量，以及超高的亮度將為粒子物理界帶來(lái)更多的挑戰(zhàn)。LHC包含的多個(gè)實(shí)驗(yàn)被賦予了不同的任務(wù)，其中ATLAS實(shí)驗(yàn)(A ToroidalLHC ApparatuS)是LHC巨大的環(huán)形隧道上的

6、兩個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)之一，位于LHC的第一個(gè)對(duì)撞點(diǎn)上。ATLAS探測(cè)器主要由內(nèi)部徑跡探測(cè)器(Inner Detector)、電磁量能器(Electromagnetic Calorimeter)、強(qiáng)子量能器(Hadronic Calorimeter)、繆子譜儀(Muon Spectrometer)、磁鐵系統(tǒng)幾部分組成。ATLAS最主要的目標(biāo)包含尋找黑格斯粒子，精確地驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型理論，檢驗(yàn)各種新的粒子物理理論等。
　　 本研究包含三部分：

7、第一部分描述了理論背景和實(shí)驗(yàn)設(shè)備；第二部分詳細(xì)介紹了ATLAS實(shí)驗(yàn)中一種全新的測(cè)量方法和工具-丟失橫動(dòng)量(PmissT)的定義，測(cè)量方法，以及在物理分析過程中的應(yīng)用，是相對(duì)獨(dú)立的一部分；第三部分是本論文的重點(diǎn)，詳細(xì)描述了利用ATLAS實(shí)驗(yàn)測(cè)量在7TeV質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞過程中Wγ/Zγ1電子衰變道產(chǎn)生截面的整個(gè)過程。對(duì)中微子的測(cè)量是ATLAS實(shí)驗(yàn)中重要的一部分，黑格斯粒子、top夸克等都可能衰變到包含中微子的末態(tài)，而當(dāng)前ATLAS對(duì)中微子的

8、探測(cè)主要通過重建丟失橫能量(EmissT)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于影響EmissT重建的因素眾多，很難精確測(cè)量，由此本論文在ATLAS實(shí)驗(yàn)提出的一種全新的測(cè)量方法-丟失橫動(dòng)量(pmissT)的測(cè)量方法，它通過計(jì)算所有有效粒子徑跡的橫動(dòng)量的矢量和得到，pmissT的測(cè)量可以與丟失橫能量(EmissT)的測(cè)量互為的補(bǔ)充，這樣可以檢驗(yàn)EmissT的真實(shí)準(zhǔn)確度，從而避免由于各種因素產(chǎn)生的虛假EmissT，并且在高pile-up的情況下具有格外的優(yōu)勢(shì)。第二部

9、分詳細(xì)介紹了重建pmissT的意義，pmissT的重建方法，以及丟失橫動(dòng)量(pmissT)在QCD，pile-up，W→ev事例中的表現(xiàn)情況。經(jīng)研究表明，pmissT在真實(shí)對(duì)撞數(shù)據(jù)中和在蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)不同樣本的表現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)保持一致；而基于頂點(diǎn)計(jì)算得到的pmissT基本不受pile-up的影響；pmissT也可以用于提高W→ev篩選的信噪比。目前pmissT的測(cè)量過程和表現(xiàn)已經(jīng)被ATLAS合作組接受，pmissT的重建程序也包含在標(biāo)

10、準(zhǔn)的ATLAS事例重建程序之內(nèi)，ATLAS實(shí)驗(yàn)內(nèi)已有多個(gè)工作組把pmissT作為必要的分析工具。標(biāo)準(zhǔn)模型理論已經(jīng)預(yù)言了ATLAS實(shí)驗(yàn)在7 TeV質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞過程中Wγ/Zγ的產(chǎn)生截面。通過對(duì)高對(duì)撞能量下Wγ/Zγ產(chǎn)生截面的測(cè)量，可以驗(yàn)證并完善標(biāo)準(zhǔn)模型理論；也可以通過Wγ的產(chǎn)生截面的測(cè)量來(lái)測(cè)量WWγ的三玻色子耦合和檢驗(yàn)可能存在反常耦合；對(duì)Wγ/Zγ的產(chǎn)生截面測(cè)量對(duì)新物理發(fā)現(xiàn)也具有重要意義，某些超標(biāo)準(zhǔn)模型的物理(例如WZ玻色子的混合復(fù)雜結(jié)

11、構(gòu)，新的玻色子)也會(huì)影響Wγ和Zγ的產(chǎn)生截面。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的CDF[1]實(shí)驗(yàn)和DO[2]實(shí)驗(yàn)已經(jīng)測(cè)量了Wγ和Zγ在對(duì)撞質(zhì)心碰撞能量為√s=1.8 TeV和√s=1.96 TeV時(shí)的產(chǎn)生截面。LHC的超高能量和亮度，為我們提供了研究在更高能量下研究Wγ和Zγ產(chǎn)生截面的良好機(jī)會(huì)。詳細(xì)描述了ATLAS實(shí)驗(yàn)在高能量(7 TeV)下伴隨W玻色子和Z玻色子產(chǎn)生的高橫能量的光子的事例電子衰變道產(chǎn)生截面的首次測(cè)量。其中Wγ/Zγ的信號(hào)事例包含正反夸克直接

12、產(chǎn)生W/Z玻色子和光子的ISR過程，由W/Z玻色子末態(tài)的輕子衰變出一個(gè)光子的FSR過程，以及伴隨W/Z玻色子產(chǎn)生的jet釋放fragmentation光子的過程。對(duì)于Wγ，還額外包含從W玻色子直接輻射出一個(gè)光子的WWγ過程。由于我們選擇的信號(hào)事例僅包含電子衰變道的事例，本研究選取了egamma數(shù)據(jù)流，并要求事例通過電子的觸發(fā)；然后選取一個(gè)W玻色子或Z玻色子，該選取標(biāo)準(zhǔn)與ATLAS實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)的W玻色子或Z玻色子的選取相同；最后進(jìn)一步選取一

13、個(gè)通過“嚴(yán)格判選”的判選條件的孤立光子，用選擇到的事例測(cè)量Wγ/Zγ的產(chǎn)生截面。Wev+γ和Zee+γ信號(hào)的蒙特卡洛模擬事例都是用MADGRAPH程序產(chǎn)生的，并且用PYTHIA做的強(qiáng)子化過程和部分子簇射過程。利用ATLAS實(shí)驗(yàn)在2010年全年采集到的，7Tev質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞過程產(chǎn)生的所有有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(總計(jì)約35pb-1)，在通過光子橫能量大于15 GeV，｜η｜<2.5，光子與任意電子的夾角△R(e，γ)>0.72的最終判選后，總共發(fā)現(xiàn)

14、了95(25)個(gè)Wγ(Zγ)事例。電子的觸發(fā)效率和電子鑒別效率都是利用ATLAS實(shí)驗(yàn)組推薦的結(jié)果，其中電子的觸發(fā)效率是從真實(shí)對(duì)撞數(shù)據(jù)中W玻色子的電子衰變道樣本測(cè)得的；電子的鑒別效率是通過修正蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)信號(hào)事例得到的，修正參數(shù)是通過“標(biāo)定和探測(cè)”(“Tag and Probe”)的方法從W玻色子和Z玻色子的電子衰變道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中測(cè)量獲得的。光子的鑒別效率是通過使用修正參數(shù)△μsDV修正蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)中光子的鑒別效率獲得，修正參數(shù)△

15、μsDV來(lái)源于蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)中和真實(shí)對(duì)撞數(shù)據(jù)中的所有鑒別的光子有關(guān)的參數(shù)(DV)的差別。由于電子和光子在電磁量能器中的表現(xiàn)相似，在估計(jì)光子的孤立效率εisoγ的時(shí)候，選用了修正電子的孤立度的方法。用于修正的電子是Z→ee的“標(biāo)定和探測(cè)”的方法得到的“探測(cè)”電子。本測(cè)量的本底事例主要有W+jets，W→Tν，t()和Z→ee，由于蒙特卡洛模擬的數(shù)據(jù)不能很好的模手以jet誤判為光子的過程，所以在ATLAS記錄真實(shí)對(duì)撞數(shù)據(jù)中，本文利用二維分

16、區(qū)域的方法估計(jì)Wγ候選事例中W+jets本底事例的數(shù)量，對(duì)于Zγ，由于對(duì)撞數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量太小，Z+jets的數(shù)量是通過蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)得到，Wγ/Zγ測(cè)量過程中的其它的本底事例的貢獻(xiàn)都是從蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)獲得。最終光子的純凈度為80％，排除本底事例后，真實(shí)對(duì)撞數(shù)據(jù)中Wγ/Zγ的各特征參數(shù)分布情況與標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)保持一致。本文同時(shí)測(cè)量了Wγ，Zγ的基準(zhǔn)產(chǎn)生截面和總產(chǎn)生截面。在基準(zhǔn)產(chǎn)生截面的測(cè)量中，最主要的系統(tǒng)誤差來(lái)自光子