W玻色子极化和tt自旋关联在tt双轻子衰变道中的蒙特卡罗研究

摘要

自从人类文明诞生以来，人们对自然界的探索就从未停止过。直至上世纪七十年代，随着标准模型理论的建立，人们对自然界物质有了一个较为全面和系统的认识。迄今为止，标准模型的许多预言已被实验证实，标准模型理论也获得了巨大的成功。然而，标准模型理论尚有很多问题等待解决，它所预言的黑格斯(Higgs)粒子也仍未从实验上发现。因此，在更高的能区内，寻找Higgs粒子并精确检验标准模型是当今粒子物理实验的重要内容之一。 LHC(Large Hadron Collider)是正在CERN建造的大型强子对撞机，为质子-质子对撞，其对撞质心能量达到14TeV，对撞粒子束流亮度高达1034cm-2s-1,建成后将成为世界上能量最高的粒子对撞机。ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS)是建在LHC其中一个对撞点上的大型多用途粒子探测器，它主要由内部径迹探测器、磁铁系统、电磁量能器、强子量能器、μ子谱仪、数据获取和触发系统几部分组成。寻找黑格斯粒子是ATLAS最主要的目的，同时它也将用来寻找较重的类W、Z玻色子、超对称粒子，研究基本费米子的结构，研究重夸克(如top夸克)的性质并寻找其共振态，研究B衰变中的CP破坏等。 在低亮度(1033cm-2s-1)工作时，LHC每年就可产生800万个top夸克对事例，因此是一个名副其实的“t夸克工厂”，可以开展top夸克多方面的研究，例如精确测定top夸克的质量，研究top夸克衰变过程中W玻色子的极化等。 在top夸克的相关研究中，对正反top夸克对(tt-)的研究是一项有趣而富有重大意义的工作。根据标准模型理论，几乎所有的t夸克都将衰变为W玻色子和b夸克，而按照W衰变末态的不同，(tt-)的衰变过程可分为三种：单轻子和粒子喷注衰变道((tt-)→w+w-(bb-)→(lv)(jj)(bb-))，双轻子衰变道((tt-)→w+w-(bb-)→(lv)(lv)(bb-))和全强子衰变道((tt-)→w+w-(bb-)→(jj)(jj)(bb-))。其中，双轻子衰变道因末态中含有两个孤立轻子而较为特别。由于轻子的易测量性使得该衰变道的研究具有重要意义。在top夸克的衰变中， W玻色子的极化信息被标准模型精确预言了。通过对t→Wb衰变道内W玻色子极化的测量，我们可以完善top自旋的研究，验证我们对tWb顶角的理解并深入的理解V-A结构。 W玻色子按其“螺旋度”(helicity)可分为纵向W，左手W和右手W三种，任何不同于标准模型的t→Wb极化理论(如电弱对称破缺中的动力学模型差异，新的相互作用，额外维度的存在等)将改变三种螺旋度的W玻色子所占的分数。据此，我们可以验证标准模型，判断新物理存在的证据。 top夸克的极化和tt的自旋关联都被标准模型精确预言了，我们可以通过其衰变产物直接进行top自旋的相关研究。同W极化一样，tt自旋关联的研究也是寻找新物理的敏感探针。 本论文最主要的工作就是在tt双轻子衰变道中，利用ATLAS实验模拟数据对W的极化和tt的自旋关联进行了模拟研究。本论文从tt衰变道的模拟开始，建立了从衰变道的重建，到W极化和tt自旋关联的实验测量方法，再到最后结果的误差分析这样一个完整的过程。在本论文中，主要工作包括：独立重建了tt双轻子衰变过程，并利用权重(weight)法对重建出的多个tt对进行最优选择；给出了一套实验上测量W极化和tt自旋关联的可行方法；通过模拟数据，对W极化和tt自旋关联实验测量过程中可能的系统误差来源和影响进行了分析研究。 本论文共分6个部分：第1部分，高能物理的发展和LHC，简要介绍了高能物理实验及理论的发展，高能粒子加速器LHC和ATLAS实验研究；第2部分，ATLAS探测器，介绍ATLAS探测器的结构；第3部分，top物理及tt衰变过程的模拟，简单介绍了top物理研究及tt衰变过程的蒙特卡罗模拟；第4部分，tt双轻子衰变道的重建，介绍了tt双轻子衰变道的重建方法；第5部分，tt双轻子衰变道中W极化的模拟研究，介绍了W极化在tt双轻子衰变道中的实验测量方法及可能的系统误差分析；第6部分， tt双轻子衰变道中tt自旋关联的模拟研究，介绍了tt双轻子衰变道中tt自旋关联的实验测量方法及可能的系统误差分析。

目录

论文说明：图表目录

声明

摘要

前言

第一章高能物理的发展和LHC

1.1粒子物理学的发展

1.2标准模型

1.2.1标准模型的建立

1.2.2黑格斯机制

1.2.3夸克模型

1.2.4基本粒子及基本相互作用

1.3标准模型面临的问题

1.4大型强子对撞机—LHC

第二章ATLAS探测器

2.1 ATLAS实验的物理目标

2.2 ATLAS探测器的设计性能

2.3 ATLAS探测器的物理结构

2.3.1磁铁系统

2.3.2内部探测器

2.3.3量能器

2.3.4 Muon谱仪

2.3.5 ATLAS探测器的触发系统

第三章top物理及t-t衰变模拟数据的产生

3.1 top夸克的产生

3.1.1单top的产生

3.1.2t-t产生过程

3.2 top夸克的衰变

3.3t-t衰变模拟数据的产生

3.3.1产生子部分

3.3.2模拟部分

3.3.3数字化部分

3.3.4重建部分

3.3.5 AOD产生

第四章t-t双轻子衰变道的重建

4.1研究中使用的数据和软件环境

4.1.1信号事例

4.1.2背景事例

4.1.3 ATLAS数据的命名规则

4.1.4论文工作使用的软件环境及版本简介

4.2电子的选取方法

4.3 muon的选取

4.4 Jet的选择

4.4.1 Jet的选择

4.4.2 b jet的选取

4.5丢失横能量(Missing Transverse Energy)的计算

4.6事例的初选效率

4.7t-t双轻子衰变道的重建

4.7.1方程组的求解方法

4.7.2正反top夸克对的重建

4.8重建结果

4.9小结

第五章W玻色子极化在t-t双轻子衰变道中的测量

5.1 W极化的简单介绍

5.2 W极化的测量方法

5.3 t-t双轻子衰变道中W的极化研究

5.4 W极化测量中主要的系统误差来源及分析

5.4.1 Trigger带来的系统误差

5.4.2 b tag效率造成的误差

5.4.3 b jet能量测量造成的误差

5.4.4背景分布不确定性造成的误差

5.4.5 top夸克质量不确定性带来的误差

5.4.6理论方面的误差

5.5 W极化测量的结果

5.6结论

第六章t-t自旋关联在双轻衰变道中的研究

6.1t-t自旋关联简介

6.1.1 top夸克的极化

6.1.2t-t的自旋关联

6.2t-t自旋关联的测量方法

6.3t-t自旋关联在双轻子衰变道中的测量

6.3.1研究使用数据

6.3.2事例的判选及效率

6.3.3自旋关联参数A和AD在t-t双轻衰变道中的实验测量

6.4t-t自旋关联测量中主要的系统误差来源及分析

6.4.1 b tag效率造成的误差

6.4.2 b jet能量测量造成的误差

6.4.3背景分布不确定性造成的误差

6.4.4理论误差

6.5t-t自旋关联MC研究的结果

6.6结论

展望

参考资料：

致谢

博士期间发表的论文

英文论文（一）

英文论文（二）