在ATLAS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中尋找超對稱粒子和電子的判選.pdf

1、粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型是一個包括電弱相互作用和強(qiáng)相互作用的理論，取得了很大的成功。精確地預(yù)言了W、Z玻色子的質(zhì)量，完成了弱電統(tǒng)一，經(jīng)受了幾十年的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。但是標(biāo)準(zhǔn)模型仍然不是終極理論，在一些方面仍然存在問題，例如微調(diào)(fine tunning)問題。超對稱理論作為超出標(biāo)準(zhǔn)模型物理的理想候選之一，解決了由希格斯粒子(Higgs)圈圖修正引起的二次發(fā)散問題。最輕超伴子(例如中微子超伴子)為宇宙學(xué)提供了暗物質(zhì)的理想候選粒子。超對稱模型(SUSY)

2、粒子量子數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)模型相同，除了超伴子自旋與標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子相差1/2。超對稱必須是破缺的，因?yàn)楝F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有觀察到標(biāo)準(zhǔn)模型的超伴子。最小超對稱模型(MSSM)通過最小擴(kuò)充粒子數(shù)目，用所有不引入二次發(fā)散項參數(shù)化超對稱破缺拉格朗日量。最小超對稱粒子有大量參數(shù)(>100)，本文研究的Light Stop模型是MSSM的一個模式。Light Stop模型的特征是包含一個輕質(zhì)量的Stop，具有占主導(dǎo)的右手部分，Stop質(zhì)量接近top夸克，可以引

3、入足夠大的領(lǐng)頭階弱電轉(zhuǎn)換相位。其他標(biāo)準(zhǔn)模型超伴子質(zhì)量均比較大，以符合現(xiàn)有的Higgs質(zhì)量限制和中子電子電偶極矩限制。最小超對稱模型與宇宙學(xué)研究中很窄的限制區(qū)域要求相符合。本文研究了在ATLAS實(shí)驗(yàn)室蒙特卡羅數(shù)據(jù)中進(jìn)行尋找Light Stop粒子的可行性。座落于歐洲核子中心(CERN)大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)是一個設(shè)計用來作質(zhì)子質(zhì)子(p-p)對撞研究的加速器。其質(zhì)心能量為14TeV，設(shè)計亮度為1034cm-2s-1。ATLAS是LHC上一

4、個通用粒子探測譜儀，在1995-2009年間進(jìn)行設(shè)計和建造，并已于2009年底開始運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)取數(shù)。在2009-2011年期間，LHC運(yùn)行在質(zhì)心能量為7TeV的能量區(qū)間，數(shù)據(jù)積分亮度在1fb-1。
　　 本文針對Light Stop分析產(chǎn)生了蒙特卡羅7TeV全模擬數(shù)據(jù)，該樣本已成為ATLAS官方樣本。利用此樣本研究了膠子超伴子(g)質(zhì)量范圍在300 GeV-550 GeV區(qū)間內(nèi)，尋找ttt1t1/ttt1t1→l±l±+2bjet

5、s+2cjets+ET+X末態(tài)的可行性。本文綜合分析了gluino(g)質(zhì)量范圍在300 GeV時兩輕子末態(tài)觸發(fā)效率、pileup的影響、電子電荷誤判率以及其他可能的系統(tǒng)誤差。在g質(zhì)量范圍為300 GeV-400 GeV，末態(tài)為同號輕子的研究中能夠觀測到5σ蒙特卡羅信號。在g質(zhì)量范圍為400 GeV-550 GeV，還需要更多的數(shù)據(jù)統(tǒng)計量和進(jìn)一步的研究。這是首次對可能存在的Light Stop信號進(jìn)行了全面的分析。Light Stop分

6、析最大的難點(diǎn)是從大量的假信號中挑選出信號事例。由于tt本底反應(yīng)截面非常大，其同號本底是由底夸克半輕衰變而來，底夸克由頂夸克衰變而來。因此其末態(tài)與Light Stop末態(tài)十分相似，以至于很難去除。輕子孤立化，和輕子與噴注之間的重疊移除可以將tt本底壓制到原來的十分之一。同號輕子、4個噴注和大的丟失橫動量可以將本底壓制到小于千分之一。電子電荷誤判率是Light Stop模型分析中非常重要的系統(tǒng)誤差來源。電子的重建效率對于本文的研究也很重要。

7、電子在重建過程中根據(jù)徑跡，能量簇射團(tuán)進(jìn)行重建。從噴注誤判而來的假電子、電子的韌致輻射和光子劈裂會引起的徑跡誤判，從而導(dǎo)致電子的電荷誤判。本文基于早期35pb-1積分亮度的數(shù)據(jù)，用“標(biāo)記-探測”(Tag-and-Probe)方法對寬松、嚴(yán)格(RobustMedium、RobusterTight)電子的選擇效率，和電荷誤判率進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果很好的補(bǔ)充了Light Stop分析中的系統(tǒng)誤差部分，同時表明ATLAS實(shí)驗(yàn)的蒙特卡羅模擬與

8、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。
　　 本研究分七個部分：第一部分，粒子物理學(xué)的發(fā)展和選題的動機(jī)和目的，簡要介紹了高能物理實(shí)驗(yàn)及理論的發(fā)展，高能粒子加速器LHC和ATLAS實(shí)驗(yàn)研究和選擇Light Stop模型進(jìn)行研究的動機(jī)：第二部分，LHC和ATLAS探測器簡介，介紹LHC運(yùn)行參數(shù)和ATLAS探測器的結(jié)構(gòu)；第3部分，電子、繆子和噴注等的重建方法介紹，簡單介紹了輕子、噴注和丟失橫動量的重建算法；第四部分，電子選擇效率的測量，詳細(xì)地介紹了Tag

9、-and-probe方法，以及用該方法來測量三級電子的選擇效率；第五部分，電子的電荷誤判率的測量，介紹了用Tag-and-probe方法進(jìn)行電子電荷誤判率的測量和相關(guān)的工作；第六部分，Light Stop蒙特卡羅樣本和其他標(biāo)準(zhǔn)模型本底樣本的產(chǎn)生，介紹了如何利用Pythia產(chǎn)生子產(chǎn)生、模擬重建Light Stop信號樣本和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)模型樣本；第七部分，Light Stop分析方法的研究，詳細(xì)地介紹了Light Stop信號分析中用到的分析