利用ATLAS探测器测量质心能量√s=7 TeV 下 W→τυ的反应截面

论文摘要

基于卢瑟福散射实验建立的原子核模型以及中子的发现使人们认识到原子并不是组成物质的最小单元。随着加速器高能物理的发展,物质的基本结构模型越来越清晰。现在人们知道目前已知的物质由28个基本粒子（包括正粒子和反粒子）通过四种基本相互作用组成。同时,理论物理学家根据实验结果建立了各种理论模型进行系统的解释,其中最成熟的也是经过实验证明到目前为止最正确的模型是标准模型。标准模型解释了基本粒子如何通过基本作用力发生相互作用并组成物质,然而在这个模型中仍然有一个需要实验证实其存在的粒子——赋予其它粒子质量的希格斯玻色子（Higgs玻色子）。坐落于瑞士与法国边境交界处的欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）就是以寻找标准模型预言的Higgs玻色子和新物理为目标。它是一个质子—质子（p-p）对撞机,其设计质心能量和最高峰值亮度分别为14 TeV和1034 cm-2s-1。ATLAS （A Toroid LHC Apparatus）是LHC上一个多用途探测器谱仪,用来探测由p-p对撞所产生的粒子并很可能发现之前未被观测到的新粒子。ATLAS由多种子探测器组成,包括用于重建带电粒子的轨迹并测量其动量的内层探测器、测量沉积其中的粒子能量的量能器和探测并测量μ子动量的μ子谱仪。τ轻子是标准模型所描述的重要粒子之一,它的物理性质（质量,寿命,衰变模式等）使它成为研究许多标准模型之内和超出标准模型的物理过程的重要探针,例如,如果标准模型预言的Higgs玻色子存在且质量处于115到140 GeV之间,那么它到τ+τ-末态的衰变将成为探测Higgs玻色子的重要物理道。然而,强子对撞机上最大的挑战是对本底过程的理解和测量,这是发现新粒子首要的且不可或缺的一步,尤其是对于发生强子衰变的τ轻子,它的主要本底是通过量子色动力学过程产生的多喷注事例（QCD multi-jets）,而QCD multi-jets是LHC上产生截面最高的物理过程。因此理解ATLAS探测器对τ轻子的重建和分辨的性能并将其从本底事例中分辨出来对于所有与τ有关的物理过程都是最基本的工作,为此,选择纯净的τ信号事例是很重要的,而W→τν是τ轻子的主要来源之一,因此选择W→τν信号并测量它的产生截面是一个重要的研究课题。本文涵盖了几个方面,包括对ATLAS量能器的性能的研究、τ轻子的重建和分辨性能以及其在测量W→τν产生截面的应用。在第一章的简单介绍以后,第二章描述了标准模型中的粒子及其之间的相互作用和τ轻子重要性的理论机制。第三章描述了LHC和ATLAS探测器,其中对ATLAS的液氩量能器做了比较具体的描述。液氩量能器是ATLAS谱仪的重要组成部分,包括电磁量能器、强子量能器的端盖部分和前端量能器。液氩量能器对于τ轻子的分辨性能起着重要的作用,其精细的空间间隔可以把粒子在其中所产生的簇射的形状很好地描述出来,从而为将τ轻子从大量的QCD jet本底事例中分辨出来提供了条件（详见第五章）。利用不同的数据（宇宙射线、质心能量900 GeV和7 TeV的对撞数据）对液氩量能器性能的研究表明,它的性能达到了其设计指标,从而使得对象W→τν这样复杂过程的研究成为可能。第四章论述了利用2004年采集的束流实验数据研究量能器对π介子的响应和能量分辨率。为使研究对象接近于真实情况,束流实验中各探测单元的安装顺序和相对位置与ATLAS谱仪保持高度一致。首先利用随机触发的事例研究了量能器中每个最小读出单元（cell）的噪音并用于粒子能量的重建和分析,结果表明量能器每层的噪音平均值分别为：电磁量能器的前端采样层（presampler） 35 MeV、第一层12 MeV、第二层28 MeV和第三层22 MeV,强子量能器的第一层30 MeV,第二层30 MeV和第三层25 MeV。通过要求粒子在cell中沉积的能量大于2.5 GeV,研究了电磁量能器的时间刻度,结果表明电磁量能器cell的时间与触发时间在5 ns内一致才能重建出正确能量。对非常低能量（束流能量小于10 GeV）和高能量（束流能量大于20 GeV）π介子束流的研究发现,量能器的响应随粒子能量的升高而提高,分辨率随粒子能量的升高而变好。对于低能量π介子,蒙特卡罗模拟给出的量能器响应和能量分辨率与实验数据不符（蒙特卡罗给出的响应较高分辨率较好）,这一问题在使用拓扑团簇的方法重建粒子簇射能量后有所改善。量能器对高能量π介子的响应与入射粒子的方向（η方向）有一定关系,能量分辨率与1/（?）成线性关系（这是因为能量分辨率主要有簇射发展的涨落有关）。在第五章中,利用ATLAS在质心能量为900 GeV和7 TeV下所获取的实验数据研究了强子衰变的τ轻子的重建和分辨性能。这一研究是通过比较描述强子衰变的τ轻子的特征变量在蒙特卡罗样本和真实数据中的分布来实现的。蒙特卡罗背景样本（QCD multi-jets）很好的描述了用于分辨强子衰变的τ轻子的变量。研究表明这些变量可以有效地将强子衰变的τ轻子从众多QCD jet事例中分辨出来。利用真实数据和蒙特卡罗样本,共发展了三种分辨τ轻子的方法：直接对变量做选择的方法（cut-based）,决策树方法（BDT）和似然函数法（LLH）。其中cut—based方法有三种不同判选标准分别为宽松、中度和严格,其信号分辨效率分别为70%,50%和30%,对于严格判选标准,其本底排除因子可达几百。BDT和LLH方法给出了更高的信号分辨效率和本底排除因子。第六章阐述了W→τν信号事例的选择（其中τ轻子发生强子衰变）和其产生截面的测量方法。分析中首先给出了基于轨迹重建的丢失横动量（pTmiss）及其利用它与丢失横能量（ETmiss）关联性排除QCD multi-jets本底的性能。对于信号事例,当W玻色子和τ轻子衰变时都会产生中微子,探测器无法探测和测量中微子从而产生丢失能量,因此,ETmiss和pTmiss间有很强的关联性,因为它们都代表中微子在垂直于束流方向的动量矢量和。然而QCD multi-jets事例中的丢失横能量来自于对喷注（jet）能量的测量误差,这一误差是随机的且与内层探测器无关,因此对于本底事例ETmiss和pTmiss间没有关联性。经过优化,pTmiss和ETmiss关联性用于W→τν信号事例选择的条件是|△φ（ETmiss,pTmiss）|<0.6,该条件可以排除60%的QCD multi-jets本底事例且保存近90%的信号。为了减少事例堆积效用对信号事例挑选的影响,提出了一个新变量：新定义的丢失横能量显著性SETmissnew=ETmiss[Gev]耳/（0.5·（?））,其中用于重建ΣpT轨迹都经过一系列条件且来自于原始对撞顶点,因此它不受其它堆积对撞顶点的影响,所以SETmissnew可以大大减弱堆积效应的影响。研究表明当事例中对撞点数从1升高到多于三个时其信号选择效率维持在60%且没有很大变化。利用上述两个变量及τ轻子的鉴别方法,分析了质心能量为7 TeV下积分亮度为36.8 pb-1的实验数据,得到了1545±76（统计误差）个信号事例和642±45（统计误差）个QCD multi-jets本底事例,由此得到W→τν（τ发生强子衰变）的产生截面的初步测量结果为5.96±0.26 nb,其中只包括统计误差。

论文目录

Contents

摘要

Abstract

符号说明

第一章引言

第二章理论动机

2.1 理论模型

2.1.1 标准模型

2.1.1.1 基本粒子和基本相互作用

2.1.1.2 标准模型的数学表达

2.1.1.3 Higgs玻色子

2.1.2 超出标准模型的新物理

2.2 W玻色子

2.3 τ轻子

第三章 ATLAS探测器

3.1 大型强子对撞机

3.2 ATLAS实验

3.2.1 ATLAS实验综述

3.2.2 内层探测器

3.2.3 量能器

3.2.4 μ子谱仪

3.3 ATLAS实验的取数结构

3.4 触发和离线数据处理

3.4.1 触发

3.4.2 离线数据处理

第四章利用束流实验数据研究π介子在ATLAS量能器中的响应

4.1 介绍

4.2 束流实验的建立

4.2.1 实验束流的建立

4.2.2 束流实验中探测器模块的建立

4.2.3 数据采集

4.2.4 液氩量能器的能量重建

4.2.5 Tile量能器的能量重建

4.3 量能器中cell噪音的研究

4.4 液氩量能器时间刻度的研究

4.5 利用2004年采集的20到350 GeV试验束流数据研究高能量π介子在ATLAS量能器中的响应

4.6 小结

第五章 ATLAS上强子衰变的τ轻子的重建与鉴别性能

5.1 介绍

5.2 ATLAS实验中对τ轻子的探测

had的重建和鉴别'>5.3 τ_had的重建和鉴别

5.3.1 轨迹重建

5.3.2 顶点重建

had中π⁰的重建'>5.3.3 τ_had中π⁰的重建

had'>5.3.4 利用轨迹探测器和量能器排除电子误判为τ_had

had重建性能'>5.4 ATLAS探测器对τ_had重建性能

5.4.1 Calo-seeded重建算法的检验

5.4.2 Track-seeded重建算法的检验

5.4.3 Double-seeded候选

had关联的轨迹选择标准'>5.4.4 与τ_had关联的轨迹选择标准

had关联的轨迹选择标准'>5.4.4.1 Athena版本15中与τ_had关联的轨迹选择标准

had关联的轨迹选择标准'>5.4.4.2 Athena版本16中与τ_had关联的轨迹选择标准

had的性能'>5.5 ATLAS探测器鉴别τ_had的性能

5.5.1 Cut-based方法

5.5.2 多变量方法

5.6 小结

第六章质心能量为7 TeV下W→τν的产生截面的测量

6.1 介绍

6.2 数据样本

6.2.1 数据流和数据形式

6.2.2 数据质量（DQ）和好取数列表（GRL）

6.2.3 蒙特卡罗模拟样本数据

6.2.3.1 顶点分布的重置

6.2.3.2 顶点分布重置的策略

6.3 事例触发

6.3.1 分析中触发链选择的策略

6.3.2 触发链的爬升曲线

6.4 物理对象的重建

6.5 本底过程

6.6 信号选择

6.6.1 好事例的选择

6.6.2 信号的选择

T^miss和S_{E_T^miss}^new'>6.7 p_T^miss和S_{E_T^miss}^new

T^miss'>6.7.1 p_T^miss

E_T^miss^new'>6.7.2 S_{E_T^miss}^new

E_T^miss^new中涉及的轨迹的选择条件'>6.7.2.1 S_{E_T^miss}^new中涉及的轨迹的选择条件

T^miss和S_{E_T^miss}^new信号选择条件的优化'>6.7.3 p_T^miss和S_{E_T^miss}^new信号选择条件的优化

6.7.4 事例选择流

6.7.5 引入的新方法的性能

6.8 QCD multi—jets本底事例的估计

6.9 产生截面的初步测量

6.9.1 系统误差

6.10 小结

第七章总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

附录:攻读博士期间所发表的英文论文（原文）

学位论文评阅及答辩情况表

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