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(jié)構(gòu)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(shù)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(yù)言過的其它粒子都已經(jīng)在實驗中找到，而且理論預(yù)言值與實驗測量結(jié)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(shè)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(zhuǎn)，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(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帶來物理學新領(lǐng)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(shè)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(wù)，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(shè)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(yīng)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(yù)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(fù)雜結(jié)

11、構(gòu)，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(jié)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(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(yù)言的結(jié)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