利用ATLAS探測(cè)器測(cè)量質(zhì)心能量√s=7TeV下W→ιv的反應(yīng)截面.pdf

1、基于盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)建立的原子核模型以及中子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到原子并不是組成物質(zhì)的最小單元。隨著加速器高能物理的發(fā)展，物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)模型越來(lái)越清晰?，F(xiàn)在人們知道目前已知的物質(zhì)由28個(gè)基本粒子(包括正粒子和反粒子)通過(guò)四種基本相互作用組成。同時(shí)，理論物理學(xué)家根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了各種理論模型進(jìn)行系統(tǒng)的解釋?zhuān)渲凶畛墒斓囊彩墙?jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明到目前為止最正確的模型是標(biāo)準(zhǔn)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型解釋了基本粒子如何通過(guò)基本作用力發(fā)生相互作用并組成物質(zhì)，然而在這個(gè)模型

2、中仍然有一個(gè)需要實(shí)驗(yàn)證實(shí)其存在的粒子--賦予其它粒子質(zhì)量的希格斯玻色子(Higgs玻色子)。
　　 坐落于瑞士與法國(guó)邊境交界處的歐洲核子中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)就是以尋找標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的Higgs玻色子和新物理為目標(biāo)。它是一個(gè)質(zhì)子-質(zhì)子(p-p)對(duì)撞機(jī)，其設(shè)計(jì)質(zhì)心能量和最高峰值亮度分別為14 TeV和1034cm-2s-1。ATLAS(A Toroid LHC Apparatus)是LHC上一個(gè)多用途探測(cè)器譜儀，

3、用來(lái)探測(cè)由p-p對(duì)撞所產(chǎn)生的粒子并很可能發(fā)現(xiàn)之前未被觀測(cè)到的新粒子。ATLAS由多種子探測(cè)器組成，包括用于重建帶電粒子的軌跡并測(cè)量其動(dòng)量的內(nèi)層探測(cè)器、測(cè)量沉積其中的粒子能量的量能器和探測(cè)并測(cè)量μ子動(dòng)量的μ子譜儀。
　　 τ輕子是標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的重要粒子之一，它的物理性質(zhì)(質(zhì)量，壽命，衰變模式等)使它成為研究許多標(biāo)準(zhǔn)模型之內(nèi)和超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理過(guò)程的重要探針，例如，如果標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的Higgs玻色子存在且質(zhì)量處于115到140 G

4、eV之間，那么它到τ+τ-末態(tài)的衰變將成為探測(cè)Higgs玻色子的重要物理道。然而，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上最大的挑戰(zhàn)是對(duì)本底過(guò)程的理解和測(cè)量，這是發(fā)現(xiàn)新粒子首要的且不可或缺的一步，尤其是對(duì)于發(fā)生強(qiáng)子衰變的τ輕子，它的主要本底是通過(guò)量子色動(dòng)力學(xué)過(guò)程產(chǎn)生的多噴注事例(QCD multi-jets)，而QCD multi-jets是LHC上產(chǎn)生截面最高的物理過(guò)程。因此理解 ATLAS探測(cè)器對(duì)τ輕子的重建和分辨的性能并將其從本底事例中分辨出來(lái)對(duì)于所有與τ有

5、關(guān)的物理過(guò)程都是最基本的工作，為此，選擇純凈的τ信號(hào)事例是很重要的，而W→τν是τ輕子的主要來(lái)源之一，因此選擇W→τν信號(hào)并測(cè)量它的產(chǎn)生截面是一個(gè)重要的研究課題。
　　 本文涵蓋了幾個(gè)方面，包括對(duì)ATLAS量能器的性能的研究、τ輕子的重建和分辨性能以及其在測(cè)量W→τν產(chǎn)生截面的應(yīng)用。
　　 在第一章的簡(jiǎn)單介紹以后，第二章描述了標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子及其之間的相互作用和τ輕子重要性的理論機(jī)制。
　　 第三章描述了LHC和

6、ATLAS探測(cè)器，其中對(duì) ATLAS的液氬量能器做了比較具體的描述。液氬量能器是ATLAS譜儀的重要組成部分，包括電磁量能器、強(qiáng)子量能器的端蓋部分和前端量能器。液氬量能器對(duì)于τ輕子的分辨性能起著重要的作用，其精細(xì)的空間間隔可以把粒子在其中所產(chǎn)生的簇射的形狀很好地描述出來(lái)，從而為將τ輕子從大量的QCD jet本底事例中分辨出來(lái)提供了條件(詳見(jiàn)第五章)。利用不同的數(shù)據(jù)(宇宙射線、質(zhì)心能量900 GeV和7 TeV的對(duì)撞數(shù)據(jù))對(duì)液氬量能器性能

7、的研究表明，它的性能達(dá)到了其設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而使得對(duì)象W→τν這樣復(fù)雜過(guò)程的研究成為可能。
　　 第四章論述了利用2004年采集的束流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究量能器對(duì)π介子的響應(yīng)和能量分辨率。為使研究對(duì)象接近于真實(shí)情況，束流實(shí)驗(yàn)中各探測(cè)單元的安裝順序和相對(duì)位置與ATLAS譜儀保持高度一致。首先利用隨機(jī)觸發(fā)的事例研究了量能器中每個(gè)最小讀出單元(cell)的噪音并用于粒子能量的重建和分析，結(jié)果表明量能器每層的噪音平均值分別為：電磁量能器的前端采樣層

8、(presampler)35MeV、第一層12 MeV、第二層28 MeV和第三層22 MeV，強(qiáng)子量能器的第一層30 MeV，第二層30 MeV和第三層25 MeV。通過(guò)要求粒子在cell中沉積的能量大于2.5 GeV，研究了電磁量能器的時(shí)間刻度，結(jié)果表明電磁量能器cell的時(shí)間與觸發(fā)時(shí)間在5 ns內(nèi)一致才能重建出正確能量。對(duì)非常低能量(束流能量小于10 GeV)和高能量(束流能量大于20 GeV)π介子束流的研究發(fā)現(xiàn)，量能器的響應(yīng)隨

9、粒子能量的升高而提高，分辨率隨粒子能量的升高而變好。對(duì)于低能量π介子，蒙特卡羅模擬給出的量能器響應(yīng)和能量分辨率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符(蒙特卡羅給出的響應(yīng)較高分辨率較好)，這一問(wèn)題在使用拓?fù)鋱F(tuán)簇的方法重建粒子簇射能量后有所改善。量能器對(duì)高能量π介子的響應(yīng)與入射粒子的方向(η方向)有一定關(guān)系，能量分辨率與1/√Ebeam成線性關(guān)系(這是因?yàn)槟芰糠直媛手饕写厣浒l(fā)展的漲落有關(guān))。
　　 在第五章中，利用ATLAS在質(zhì)心能量為900 GeV和7

10、 TeV下所獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了強(qiáng)子衰變的τ輕子的重建和分辨性能。這一研究是通過(guò)比較描述強(qiáng)子衰變的τ輕子的特征變量在蒙特卡羅樣本和真實(shí)數(shù)據(jù)中的分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的。蒙特卡羅背景樣本(QCD multi-jets)很好的描述了用于分辨強(qiáng)子衰變的τ輕子的變量。研究表明這些變量可以有效地將強(qiáng)子衰變的τ輕子從眾多QCD jet事例中分辨出來(lái)。利用真實(shí)數(shù)據(jù)和蒙特卡羅樣本，共發(fā)展了三種分辨τ輕子的方法：直接對(duì)變量做選擇的方法(cut-based)，決策樹(shù)方

11、法(BDT)和似然函數(shù)法(LLH)。其中cut-based方法有三種不同判選標(biāo)準(zhǔn)分別為寬松、中度和嚴(yán)格，其信號(hào)分辨效率分別為70％，50％和30％，對(duì)于嚴(yán)格判選標(biāo)準(zhǔn)，其本底排除因子可達(dá)幾百。BDT和LLH方法給出了更高的信號(hào)分辨效率和本底排除因子。
　　 第六章闡述了W→τν信號(hào)事例的選擇(其中τ輕子發(fā)生強(qiáng)子衰變)和其產(chǎn)生截面的測(cè)量方法。分析中首先給出了基于軌跡重建的丟失橫動(dòng)量(PmissT)及其利用它與丟失橫能量(EmissT

12、)關(guān)聯(lián)性排除QCD multi-jets本底的性能。對(duì)于信號(hào)事例，當(dāng)W玻色子和τ輕子衰變時(shí)都會(huì)產(chǎn)生中微子，探測(cè)器無(wú)法探測(cè)和測(cè)量中微子從而產(chǎn)生丟失能量，因此，EmissT和PmissT間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因?yàn)樗鼈兌即碇形⒆釉诖怪庇谑鞣较虻膭?dòng)量矢量和。然而QCD multi-jets事例中的丟失橫能量來(lái)自于對(duì)噴注(jet)能量的測(cè)量誤差，這一誤差是隨機(jī)的且與內(nèi)層探測(cè)器無(wú)關(guān)，因此對(duì)于本底事例EmissT和PmissT間沒(méi)有關(guān)聯(lián)性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，

13、PmissT和EmissT關(guān)聯(lián)性用于W→τν信號(hào)事例選擇的條件是|△φ(EmissT，PmissT)|<0.6，該條件可以排除60％的QCD multi-jets本底事例且保存近90％的信號(hào)。為了減少事例堆積效用對(duì)信號(hào)事例挑選的影響，提出了一個(gè)新變量：新定義的丟失橫能量顯著性()其中用于重建∑PT軌跡都經(jīng)過(guò)一系列條件且來(lái)自于原始對(duì)撞頂點(diǎn)，因此它不受其它堆積對(duì)撞頂點(diǎn)的影響，所以()可以大大減弱堆積效應(yīng)的影響。研究表明當(dāng)事例中對(duì)撞點(diǎn)數(shù)從1升