W玻色子極化和tt自旋關(guān)聯(lián)在tt雙輕子衰變道中的蒙特卡羅研究.pdf

1、自從人類文明誕生以來，人們對自然界的探索就從未停止過。直至上世紀七十年代，隨著標(biāo)準(zhǔn)模型理論的建立，人們對自然界物質(zhì)有了一個較為全面和系統(tǒng)的認識。迄今為止，標(biāo)準(zhǔn)模型的許多預(yù)言已被實驗證實，標(biāo)準(zhǔn)模型理論也獲得了巨大的成功。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型理論尚有很多問題等待解決，它所預(yù)言的黑格斯(Higgs)粒子也仍未從實驗上發(fā)現(xiàn)。因此，在更高的能區(qū)內(nèi)，尋找Higgs粒子并精確檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型是當(dāng)今粒子物理實驗的重要內(nèi)容之一。 LHC(Large Had

2、ron Collider)是正在CERN建造的大型強子對撞機，為質(zhì)子-質(zhì)子對撞，其對撞質(zhì)心能量達到14TeV，對撞粒子束流亮度高達1034cm-2s-1,建成后將成為世界上能量最高的粒子對撞機。ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS)是建在LHC其中一個對撞點上的大型多用途粒子探測器，它主要由內(nèi)部徑跡探測器、磁鐵系統(tǒng)、電磁量能器、強子量能器、μ子譜儀、數(shù)據(jù)獲取和觸發(fā)系統(tǒng)幾部分組成。尋找黑格斯粒子是ATLAS最主要的

3、目的，同時它也將用來尋找較重的類W、Z玻色子、超對稱粒子，研究基本費米子的結(jié)構(gòu)，研究重夸克(如top夸克)的性質(zhì)并尋找其共振態(tài)，研究B衰變中的CP破壞等。 在低亮度(1033cm-2s-1)工作時，LHC每年就可產(chǎn)生800萬個top夸克對事例，因此是一個名副其實的“t夸克工廠”，可以開展top夸克多方面的研究，例如精確測定top夸克的質(zhì)量，研究top夸克衰變過程中W玻色子的極化等。 在top夸克的相關(guān)研究中，對正反top

4、夸克對(tt-)的研究是一項有趣而富有重大意義的工作。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型理論，幾乎所有的t夸克都將衰變?yōu)閃玻色子和b夸克，而按照W衰變末態(tài)的不同，(tt-)的衰變過程可分為三種：單輕子和粒子噴注衰變道((tt-)→w+w-(bb-)→(lv)(jj)(bb-))，雙輕子衰變道((tt-)→w+w-(bb-)→(lv)(lv)(bb-))和全強子衰變道((tt-)→w+w-(bb-)→(jj)(jj)(bb-))。其中，雙輕子衰變道因末態(tài)中含有

5、兩個孤立輕子而較為特別。由于輕子的易測量性使得該衰變道的研究具有重要意義。在top夸克的衰變中， W玻色子的極化信息被標(biāo)準(zhǔn)模型精確預(yù)言了。通過對t→Wb衰變道內(nèi)W玻色子極化的測量，我們可以完善top自旋的研究，驗證我們對tWb頂角的理解并深入的理解V-A結(jié)構(gòu)。 W玻色子按其“螺旋度”(helicity)可分為縱向W，左手W和右手W三種，任何不同于標(biāo)準(zhǔn)模型的t→Wb極化理論(如電弱對稱破缺中的動力學(xué)模型差異，新的相互作用，額外維度的存在等

6、)將改變?nèi)N螺旋度的W玻色子所占的分數(shù)。據(jù)此，我們可以驗證標(biāo)準(zhǔn)模型，判斷新物理存在的證據(jù)。 top夸克的極化和tt的自旋關(guān)聯(lián)都被標(biāo)準(zhǔn)模型精確預(yù)言了，我們可以通過其衰變產(chǎn)物直接進行top自旋的相關(guān)研究。同W極化一樣，tt自旋關(guān)聯(lián)的研究也是尋找新物理的敏感探針。 本論文最主要的工作就是在tt雙輕子衰變道中，利用ATLAS實驗?zāi)M數(shù)據(jù)對W的極化和tt的自旋關(guān)聯(lián)進行了模擬研究。本論文從tt衰變道的模擬開始，建立了從衰變道的重建，

7、到W極化和tt自旋關(guān)聯(lián)的實驗測量方法，再到最后結(jié)果的誤差分析這樣一個完整的過程。在本論文中，主要工作包括：獨立重建了tt雙輕子衰變過程，并利用權(quán)重(weight)法對重建出的多個tt對進行最優(yōu)選擇；給出了一套實驗上測量W極化和tt自旋關(guān)聯(lián)的可行方法；通過模擬數(shù)據(jù)，對W極化和tt自旋關(guān)聯(lián)實驗測量過程中可能的系統(tǒng)誤差來源和影響進行了分析研究。 本論文共分6個部分：第1部分，高能物理的發(fā)展和LHC，簡要介紹了高能物理實驗及理論的發(fā)展，

8、高能粒子加速器LHC和ATLAS實驗研究；第2部分，ATLAS探測器，介紹ATLAS探測器的結(jié)構(gòu)；第3部分，top物理及tt衰變過程的模擬，簡單介紹了top物理研究及tt衰變過程的蒙特卡羅模擬；第4部分，tt雙輕子衰變道的重建，介紹了tt雙輕子衰變道的重建方法；第5部分，tt雙輕子衰變道中W極化的模擬研究，介紹了W極化在tt雙輕子衰變道中的實驗測量方法及可能的系統(tǒng)誤差分析；第6部分， tt雙輕子衰變道中tt自旋關(guān)聯(lián)的模擬研究，介紹了tt