利用ATLAS實驗測量在7TeV質(zhì)子-質(zhì)子對撞過程中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自然界的結構及運動知其然，而且可以知其所以然。隨著人類社會和科學技術的逐步發(fā)展，我們對物質(zhì)世界的本源有了越來越深入的認識，但是仍遠遠還沒有到盡頭。自從標準模型(The Standard Model)理論在上世紀七十年代建立以來，人類對自然界的認識更為全面和

2、系統(tǒng)了。到目前為止，標準模型是一個近似“完美”的理論，除了“上帝粒子”黑格斯(Higgs)粒子以外，標準模型預言過的其它粒子都已經(jīng)在實驗中找到，而且理論預言值與實驗測量結果也保持了高度的一致，由此，標準模型理論獲得了前所未有的巨大成功。當然，標準模型理論不是粒子物理的全部，目前標準模型理論中仍然有很多問題等待實驗數(shù)據(jù)的驗證，例如標準模型理論的重要組成部分-黑格斯粒子仍尚未在實驗中的發(fā)現(xiàn)；標準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，隨著各種超標準模型理論的提出，在更高的能區(qū)內(nèi)，精確地驗證標準模型理論，尋找黑格斯粒子，檢驗各種超標準模型理論成了當今粒子物理實驗的重要目標。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，物理學家設計了各種粒子物理實驗，大型強子對撞機LHC(The Large Hadron.Collider)就是進行這一模擬過程的“利器”。隨著大型強子對撞機LHC的建成運轉，人類又站到了一個新的至高點上。
　　 高能粒子對撞機是

4、研究物質(zhì)最基本的結構和相互作用規(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帶來物理學新領域、新方向的發(fā)展，甚至新的學科分支的產(chǎn)生。它對于加深人類對物質(zhì)世界更深層次基本規(guī)律的認識有著重要意義。歐洲核子中心(CERN，EuropeanOrganization for Nuclcar Research)在瑞法邊境建造的，新開始運行的大型強子對撞機LHC，在過去兩年多時間里，成為了整個世界矚目的焦點。LHC位于日內(nèi)瓦侏羅

5、山下，其加速環(huán)形周長約27km，設計的質(zhì)子-質(zhì)子對撞的質(zhì)心碰撞能量最高可以達到14TeV，在對撞束流團間隔為25 ns時，對撞粒子束流亮度峰值可達1034 cm-2s-1。LHC是世界上能量最高的粒子對撞機，也是目前世界上最大的大型強子對撞機。LHC的超高能量，以及超高的亮度將為粒子物理界帶來更多的挑戰(zhàn)。LHC包含的多個實驗被賦予了不同的任務，其中ATLAS實驗(A ToroidalLHC ApparatuS)是LHC巨大的環(huán)形隧道上的

6、兩個綜合性實驗之一，位于LHC的第一個對撞點上。ATLAS探測器主要由內(nèi)部徑跡探測器(Inner Detector)、電磁量能器(Electromagnetic Calorimeter)、強子量能器(Hadronic Calorimeter)、繆子譜儀(Muon Spectrometer)、磁鐵系統(tǒng)幾部分組成。ATLAS最主要的目標包含尋找黑格斯粒子，精確地驗證標準模型理論，檢驗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驗設備；第二部分詳細介紹了ATLAS實驗中一種全新的測量方法和工具-丟失橫動量(PmissT)的定義，測量方法，以及在物理分析過程中的應用，是相對獨立的一部分；第三部分是本論文的重點，詳細描述了利用ATLAS實驗測量在7TeV質(zhì)子-質(zhì)子對撞過程中Wγ/Zγ1電子衰變道產(chǎn)生截面的整個過程。對中微子的測量是ATLAS實驗中重要的一部分，黑格斯粒子、top夸克等都可能衰變到包含中微子的末態(tài)，而當前ATLAS對中微子的

8、探測主要通過重建丟失橫能量(EmissT)來實現(xiàn)。由于影響EmissT重建的因素眾多，很難精確測量，由此本論文在ATLAS實驗提出的一種全新的測量方法-丟失橫動量(pmissT)的測量方法，它通過計算所有有效粒子徑跡的橫動量的矢量和得到，pmissT的測量可以與丟失橫能量(EmissT)的測量互為的補充，這樣可以檢驗EmissT的真實準確度，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。第二部

9、分詳細介紹了重建pmissT的意義，pmissT的重建方法，以及丟失橫動量(pmissT)在QCD，pile-up，W→ev事例中的表現(xiàn)情況。經(jīng)研究表明，pmissT在真實對撞數(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；而基于頂點計算得到的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

10、準的ATLAS事例重建程序之內(nèi)，ATLAS實驗內(nèi)已有多個工作組把pmissT作為必要的分析工具。標準模型理論已經(jīng)預言了ATLAS實驗在7 TeV質(zhì)子-質(zhì)子對撞過程中Wγ/Zγ的產(chǎn)生截面。通過對高對撞能量下Wγ/Zγ產(chǎn)生截面的測量，可以驗證并完善標準模型理論；也可以通過Wγ的產(chǎn)生截面的測量來測量WWγ的三玻色子耦合和檢驗可能存在反常耦合；對Wγ/Zγ的產(chǎn)生截面測量對新物理發(fā)現(xiàn)也具有重要意義，某些超標準模型的物理(例如WZ玻色子的混合復雜結

11、構，新的玻色子)也會影響Wγ和Zγ的產(chǎn)生截面。費米實驗室的CDF[1]實驗和DO[2]實驗已經(jīng)測量了Wγ和Zγ在對撞質(zhì)心碰撞能量為√s=1.8 TeV和√s=1.96 TeV時的產(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)生截面的良好機會。詳細描述了ATLAS實驗在高能量(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)生截面的首次測量。其中Wγ/Zγ的信號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。對于Wγ，還額外包含從W玻色子直接輻射出一個光子的WWγ過程。由于我們選擇的信號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W玻色子或Z玻色子，該選取標準與ATLAS實驗中標準的W玻色子或Z玻色子的選取相同；最后進一步選取一

13、個通過“嚴格判選”的判選條件的孤立光子，用選擇到的事例測量Wγ/Zγ的產(chǎn)生截面。Wev+γ和Zee+γ信號的蒙特卡洛模擬事例都是用MADGRAPH程序產(chǎn)生的，并且用PYTHIA做的強子化過程和部分子簇射過程。利用ATLAS實驗在2010年全年采集到的，7Tev質(zhì)子-質(zhì)子對撞過程產(chǎn)生的所有有效實驗數(shù)據(jù)(總計約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實驗組推薦的結果，其中電子的觸發(fā)效率是從真實對撞數(shù)據(jù)中W玻色子的電子衰變道樣本測得的；電子的鑒別效率是通過修正蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)信號事例得到的，修正參數(shù)是通過“標定和探測”(“Tag and Probe”)的方法從W玻色子和Z玻色子的電子衰變道的實驗數(shù)據(jù)中測量獲得的。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來源于蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)中和真實對撞數(shù)據(jù)中的所有鑒別的光子有關的參數(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，在估計光子的孤立效率εisoγ的時候，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“標定和探測”的方法得到的“探測”電子。本測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記錄真實對撞數(shù)據(jù)中，本文利用二維分

16、區(qū)域的方法估計Wγ候選事例中W+jets本底事例的數(shù)量，對于Zγ，由于對撞數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量太小，Z+jets的數(shù)量是通過蒙特卡洛模擬數(shù)據(jù)得到，Wγ/Zγ測量過程中的其它的本底事例的貢獻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，真實對撞數(shù)據(jù)中Wγ/Zγ的各特征參數(shù)分布情況與標準模型理論預言的結果在誤差范圍內(nèi)保持一致。本文同時測量了Wγ，Zγ的基準產(chǎn)生截面和總產(chǎn)生截面。在基準產(chǎn)生截面的測量中，最主要的系統(tǒng)誤差來自光子