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利用ATLAS实验测量在7TeV质子—质子对撞过程中Wγ/Zγ电子衰变道的产生截面

作　者: 刘栋
导　师: 冯存峰；李世昌
学　校: 山东大学
专　业: 粒子物理与原子核物理
关键词: ATLAS Wγ Zγ 产生截面光子
分类号: O572.214
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

物质是如何获得质量的?为什么自然界中能见到物质的都是正物质,占宇宙总体96%的暗物质和暗能量在哪里?自从宇宙诞生以来物质是如何演化的?研究微观世界及粒子间的相互作用规律不仅可以使人们对自然界的结构及运动知其然,而且可以知其所以然。随着人类社会和科学技术的逐步发展,我们对物质世界的本源有了越来越深入的认识,但是仍远远还没有到尽头。自从标准模型(The Standard Model)理论在上世纪七十年代建立以来,人类对自然界的认识更为全面和系统了。到目前为止,标准模型是一个近似“完美”的理论,除了“上帝粒子”黑格斯(Higgs)粒子以外,标准模型预言过的其它粒子都已经在实验中找到,而且理论预言值与实验测量结果也保持了高度的一致,由此,标准模型理论获得了前所未有的巨大成功。当然,标准模型理论不是粒子物理的全部,目前标准模型理论中仍然有很多问题等待实验数据的验证,例如标准模型理论的重要组成部分——黑格斯粒子仍尚未在实验中的发现；标准模型以外还可能存在着许多新的物理,尤其是在近二十年,随着各种超标准模型理论的提出,在更高的能区内,精确地验证标准模型理论,寻找黑格斯粒子,检验各种超标准模型理论成了当今粒子物理实验的重要目标。为了从微观世界揭开宇宙起源的奥秘,研究宇宙产生初期的环境,物理学家设计了各种粒子物理实验,大型强子对撞机LHC (The Large Hadron Collider)就是进行这一模拟过程的“利器”。随着大型强子对撞机LHC的建成运转,人类又站到了一个新的至高点上。高能粒子对撞机是研究物质最基本的结构和相互作用规律的重要、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会带来物理学新领域、新方向的发展,甚至新的学科分支的产生。它对于加深人类对物质世界更深层次基本规律的认识有着重要意义。欧洲核子中心(CERN, European Organization for Nuclear Research)在瑞法边境建造的,新开始运行的大型强子对撞机LHC,在过去两年多时间里,成为了整个世界瞩目的焦点。LHC位于日内瓦侏罗山下,其加速环形周长约27km,设计的质子-质子对撞的质心碰撞能量最高可以达到14 TeV,在对撞束流团间隔为25 ns时,对撞粒子束流亮度峰值可达1034 cm-2s-1。LHC是世界上能量最高的粒子对撞机,也是目前世界上最大的大型强子对撞机。LHC的超高能量,以及超高的亮度将为粒子物理界带来更多的挑战。LHC包含的多个实验被赋予了不同的任务,其中ATLAS实验(A Toroidal LHC ApparatuS)是LHC巨大的环形隧道上的两个综合性实验之一,位于LHC的第一个对撞点上。ATLAS探测器主要由内部径迹探测器(Inner Detector)、电磁量能器(Electromagnetic Calorimeter)、强子量能器(Hadronic Calorimeter)、缪子谱仪(Muon Spectrometer)、磁铁系统几部分组成。ATLAS最主要的目标包含寻找黑格斯粒子,精确地验证标准模型理论,检验各种新的粒子物理理论等。本论文包含三部分：第一部分描述了理论背景和实验设备；第二部分详细介绍了ATLAS实验中一种全新的测量方法和工具——丢失横动量(pTmiss)的定义,测量方法,以及在物理分析过程中的应用,是相对独立的一部分；第三部分是本论文的重点,详细描述了利用ATLAS实验测量在7 TeV质子-质子对撞过程中Wγ/Zγ1电子衰变道产生截面的整个过程。对中微子的测量是ATLAS实验中重要的一部分,黑格斯粒子、top夸克等都可能衰变到包含中微子的末态,而当前ATLAS对中微子的探测主要通过重建丢失横能量(ETmiss)来实现。由于影响ETmiss重建的因素众多,很难精确测量,由此本论文在ATLAS实验提出的一种全新的测量方法——丢失横动量(pTmiss)的测量方法,它通过计算所有有效粒子径迹的横动量的矢量和得到,pTmiss的测量可以与丢失横能量(pTmiss)的测量互为的补充,这样可以检验ETmiss的真实准确度,从而避免由于各种因素产生的虚假ETmiss,并且在高pile-up的情况下具有格外的优势。本文第二部分详细介绍了重建pTmiss的意义,pTmiss的重建方法,以及丢失横动量(pTmiss)在QCD,pile-up, W→eν事例中的表现情况。经研究表明,pTmiss在真实对撞数据中和在蒙特卡洛模拟数据不同样本的表现在误差范围内保持一致；而基于顶点计算得到的pTmiss基本不受pile-up的影响；pTmiss也可以用于提高W→eν筛选的信噪比。目前pTmiss的测量过程和表现已经被ATLAS合作组接受,pTmiss的重建程序也包含在标准的ATLAS事例重建程序之内,ATLAS实验内已有多个工作组把pTmiss作为必要的分析工具。标准模型理论已经预言了ATLAS实验在7TeV质子-质子对撞过程中Wγ/Zγ的产生截面。通过对高对撞能量下Wγ/Zγ产生截面的测量,可以验证并完善标准模型理论；也可以通过Wγ的产生截面的测量来测量WWγ的三玻色子耦合和检验可能存在反常耦合；对Wγ/Zγ的产生截面测量对新物理发现也具有重要意义,某些超标准模型的物理(例如WZ玻色子的混合复杂结构,新的玻色子)也会影响Wγ和Zγ的产生截面。费米实验室的CDF[1]实验和DO[2]实验已经测量了Wγ和Zγ在对撞质心碰撞能量为(?)=1.8 TeV和(?)=1.96 TeV时的产生截面。LHC的超高能量和亮度,为我们提供了研究在更高能量下研究Wγ和Zγ产生截面的良好机会。本论文详细描述了ATLAS实验在高能量(7 TeV)下伴随W玻色子和z玻色子产生的高横能量的光子的事例电子衰变道产生截面的首次测量。其中Wγ/Zγ的信号事例包含正反夸克直接产生W/Z玻色子和光子的ISR过程,由W/Z玻色子末态的轻子衰变出一个光子的FSR过程,以及伴随W/Z玻色子产生的jet释放fragmentation光子的过程。对于Wγ,还额外包含从W玻色子直接辐射出一个光子的WWγ过程。由于我们选择的信号事例仅包含电子衰变道的事例,本研究选取了egamma数据流,并要求事例通过电子的触发；然后选取一个W玻色子或Z玻色子,该选取标准与ATLAS实验中标准的W玻色子或Z玻色子的选取相同；最后进一步选取一个通过“严格判选”的判选条件的孤立光子,用选择到的事例测量Wγ/Zγ的产生截面。Weν+γ和Zee+γ信号的蒙特卡洛模拟事例都是用MADGRAPH程序产生的,并且用PYTHIA做的强子化过程和部分子簇射过程。利用ATLAS实验在2010年全年采集到的,7 TeV质子-质子对撞过程产生的所有有效实验数据(总计约35 pb-1),在通过光子横能量大于15 GeV,|η|<2.5,光子与任意电子的夹角△R(e,γ)>0.72的最终判选后,总共发现了95(25)个Wγ(Zγ)事例。电子的触发效率和电子鉴别效率都是利用ATLAS实验组推荐的结果,其中电子的触发效率是从真实对撞数据中W玻色子的电子衰变道样本测得的；电子的鉴别效率是通过修正蒙特卡洛模拟数据信号事例得到的,修正参数是通过“标定和探测”("Tag and Probc")的方法从W玻色子和Z玻色子的电子衰变道的实验数据中测量获得的。光子的鉴别效率是通过使用修正参数△μsDV修正蒙特卡洛模拟数据中光子的鉴别效率获得,修正参数ΔμDVs来源于蒙特卡洛模拟数据中和真实对撞数据中的所有鉴别的光子有关的参数(DV)的差别。由于电子和光子在电磁量能器中的表现相似,在估计光子的孤立效率εγiso的时候,选用了修正电子的孤立度的方法。用于修正的电子是Z→ee的“标定和探测”的方法得到的“探测”电子。本测量的本底事例主要有W+jets,W→τν,tt和Z→ee,由于蒙特卡洛模拟的数据不能很好的模拟jet误判为光子的过程,所以在ATLAS记录真实对撞数据中,本文利用二维分区域的方法估计Wγ候选事例中W+jets本底事例的数量,对于Zγ,由于对撞数据的统计量太小,Z+jets的数量是通过蒙特卡洛模拟数据得到,Wγ/Zγ测量过程中的其它的本底事例的贡献都是从蒙特卡洛模拟数据获得。最终光子的纯净度为80%,排除本底事例后,真实对撞数据中Wγ/Zγ的各特征参数分布情况与标准模型理论预言的结果在误差范围内保持一致。本论文中,同时测量了Wγ,Zγ的基准产生截面和总产生截面。在基准产生截面的测量中,最主要的系统误差来自光子的判选效率和电磁能量刻度的精度；对于总产生截面测量,主要的额外误差还包括部分子分布函数的不确定性和高阶QCD的修正。最终,测量到的Wγ,Zγ的基准产生截面分别为σW±γfiducial=5.4±0.7(stat)±0.9(syst)±0.2(lumi)pb和σZγfiducial=2.2±0.6(stat)±0.5(syst)±0.1(lumi)pb,总产生截面分别为σW±γtotal=48.9±6.8(stat)±8.2(syst)±1.7(lumi)pb和σZγtotal= 9.0±2.5(stat)±2.1(syst)±0.3(lumi)pb。Wγ,Zγ产生截面的测量结果与标准模型理论预言的用k-factors修正过的LO的Wγ(Zγ)的产生截面在误差范围内保持一致。

全文目录

目录  5-18
摘要  18-22
Abstract  22-26
第一部分背景介绍  26-55
  第一章高能物理学的发展  27-35
    1.1 基本粒子  28-31
    1.2 基本相互作用  31-35
  第二章 LHC与ATLAS实验简介  35-55
    2.1 大型强子对撞机LHC及LHC物理  35-40
    2.2 ATLAS探测器  40-55
      2.2.1 ATLAS坐标系定义和命名法  43-44
      2.2.2 磁铁系统  44-46
      2.2.3 内部径迹探测器  46-48
      2.2.4 量能器  48-51
      2.2.5 缪子谱仪  51-52
      2.2.6 前端探测器  52-53
      2.2.7 触发系统  53-55
第二部分基于粒子径迹的丢失横动量(p_T~(miss))的计算  55-73
  第三章丢失横动量(p_T~(miss))的重建  57-65
    3.1 简述丢失横动量p_T~(miss)  57-59
    3.2 丢失横动量(p_T~(miss))的重建过程  59-65
      3.2.1 粒子径迹的额外的判选  61-65
  第四章 p_T~(miss)在对撞数据中的表现  65-73
    4.1 p_T~(miss)在QCD事例中的表现  66-67
    4.2 p_T~(miss)在pile-up事例中的表现  67-69
    4.3 p_T~(miss)在W→eν事例中的表现  69-73
      4.3.1 利用p_T~(miss)提高W→eν筛选的信噪比  70-73
第三部分 W_γ/Z_γ产生截面的测量  73-149
  第五章数据样本  75-85
    5.1 W_γ/Z_γ的产生过程  75-77
    5.2 真实对撞数据  77-79
    5.3 蒙特卡洛模拟数据  79-85
      5.3.1 Pile-up事例的权重  81-85
  第六章事例筛选  85-103
    6.1 电子  85-89
      6.1.1 电子的重建过程  85-87
      6.1.2 电子的筛选  87-89
    6.2 光子  89-92
    6.3 丢失横能量E_T~(miss)  92-94
      6.3.1 "jet清理"过程  93-94
    6.4 W_γ和Z_γ信号事例的筛选  94-103
  第七章效率的估计  103-121
    7.1 电子的效率  103-110
      7.1.1 电子的触发效率  103-107
      7.1.2 电子的鉴别效率  107-110
    7.2 光子的判选效率  110-121
      7.2.1 光子判选效率的定义  110-111
      7.2.2 光子的鉴别效率ε_γ~(ID)以及其系统误差  111-117
      7.2.3 光子的孤立效率ε_γ~(iso)以及其系统误差  117-121
  第八章本底事例估计  121-133
    8.1 "电弱和tt本底"的估计  121-122
    8.2 用Data-driven方法估计W_γ样本中W+jets的数量  122-127
    8.3 Data-driven方法的系统误差  127-133
      8.3.1 定义非孤立光子引起的系统误差  128
      8.3.2 定义"非严格判选"光子引起的系统误差  128
      8.3.3 本底控制区域中的信号泄露的影响  128-129
      8.3.4 修正本底控制区域本底事例的关联  129-133
  第九章产生截面的测量  133-147
    9.1 基准(fiducial)产生截面的测量  134-143
      9.1.1 电磁能量刻度的精度引起的系统误差  137
      9.1.2 E_T~(miss)的不确定度引起的系统误差  137-141
      9.1.3 由非正常的量能器单元引起的系统误差  141
      9.1.4 由FSR模型引起的系统误差  141-143
    9.2 总产生截面的测量  143-147
  第十章总结  147-149
    10.1 基准(fiducial)产生截面的测量  147
    10.2 总产生截面的测量  147-148
    10.3 结论与展望  148-149
参考文献  149-155
致谢  155-157
学位论文评阅及答辩情况表  157

利用ATLAS实验测量在7TeV质子—质子对撞过程中Wγ/Zγ电子衰变道的产生截面

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