在ATLAS实验数据中寻找超对称粒子和电子的判选

摘要

粒子物理的标准模型是一个包括电弱相互作用和强相互作用的理论，取得了很大的成功。精确地预言了W、Z玻色子的质量，完成了弱电统一，经受了几十年的实验检验。但是标准模型仍然不是终极理论，在一些方面仍然存在问题，例如微调(fine tunning)问题。超对称理论作为超出标准模型物理的理想候选之一，解决了由希格斯粒子(Higgs)圈图修正引起的二次发散问题。最轻超伴子(例如中微子超伴子)为宇宙学提供了暗物质的理想候选粒子。超对称模型(SUSY)粒子量子数与标准模型相同，除了超伴子自旋与标准模型的粒子相差1/2。超对称必须是破缺的，因为现有的实验结果没有观察到标准模型的超伴子。最小超对称模型(MSSM)通过最小扩充粒子数目，用所有不引入二次发散项参数化超对称破缺拉格朗日量。最小超对称粒子有大量参数(>100)，本文研究的Light Stop模型是MSSM的一个模式。Light Stop模型的特征是包含一个轻质量的Stop，具有占主导的右手部分，Stop质量接近top夸克，可以引入足够大的领头阶弱电转换相位。其他标准模型超伴子质量均比较大，以符合现有的Higgs质量限制和中子电子电偶极矩限制。最小超对称模型与宇宙学研究中很窄的限制区域要求相符合。本文研究了在ATLAS实验室蒙特卡罗数据中进行寻找Light Stop粒子的可行性。座落于欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)是一个设计用来作质子质子(p-p)对撞研究的加速器。其质心能量为14TeV，设计亮度为1034cm-2s-1。ATLAS是LHC上一个通用粒子探测谱仪，在1995-2009年间进行设计和建造，并已于2009年底开始运行和实验取数。在2009-2011年期间，LHC运行在质心能量为7TeV的能量区间，数据积分亮度在1fb-1。
　　 本文针对Light Stop分析产生了蒙特卡罗7TeV全模拟数据，该样本已成为ATLAS官方样本。利用此样本研究了胶子超伴子(g)质量范围在300 GeV-550 GeV区间内，寻找ttt1t1/ttt1t1→l±l±+2bjets+2cjets+ET+X末态的可行性。本文综合分析了gluino(g)质量范围在300 GeV时两轻子末态触发效率、pileup的影响、电子电荷误判率以及其他可能的系统误差。在g质量范围为300 GeV-400 GeV，末态为同号轻子的研究中能够观测到5σ蒙特卡罗信号。在g质量范围为400 GeV-550 GeV，还需要更多的数据统计量和进一步的研究。这是首次对可能存在的Light Stop信号进行了全面的分析。Light Stop分析最大的难点是从大量的假信号中挑选出信号事例。由于tt本底反应截面非常大，其同号本底是由底夸克半轻衰变而来，底夸克由顶夸克衰变而来。因此其末态与Light Stop末态十分相似，以至于很难去除。轻子孤立化，和轻子与喷注之间的重叠移除可以将tt本底压制到原来的十分之一。同号轻子、4个喷注和大的丢失横动量可以将本底压制到小于千分之一。电子电荷误判率是Light Stop模型分析中非常重要的系统误差来源。电子的重建效率对于本文的研究也很重要。电子在重建过程中根据径迹，能量簇射团进行重建。从喷注误判而来的假电子、电子的韧致辐射和光子劈裂会引起的径迹误判，从而导致电子的电荷误判。本文基于早期35pb-1积分亮度的数据，用“标记-探测”(Tag-and-Probe)方法对宽松、严格(RobustMedium、RobusterTight)电子的选择效率，和电荷误判率进行了系统的研究。研究结果很好的补充了Light Stop分析中的系统误差部分，同时表明ATLAS实验的蒙特卡罗模拟与实验数据基本一致。
　　 本研究分七个部分：第一部分，粒子物理学的发展和选题的动机和目的，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实验研究和选择Light Stop模型进行研究的动机：第二部分，LHC和ATLAS探测器简介，介绍LHC运行参数和ATLAS探测器的结构；第3部分，电子、缪子和喷注等的重建方法介绍，简单介绍了轻子、喷注和丢失横动量的重建算法；第四部分，电子选择效率的测量，详细地介绍了Tag-and-probe方法，以及用该方法来测量三级电子的选择效率；第五部分，电子的电荷误判率的测量，介绍了用Tag-and-probe方法进行电子电荷误判率的测量和相关的工作；第六部分，Light Stop蒙特卡罗样本和其他标准模型本底样本的产生，介绍了如何利用Pythia产生子产生、模拟重建Light Stop信号样本和相关的标准模型样本；第七部分，Light Stop分析方法的研究，详细地介绍了Light Stop信号分析中用到的分析策略和相关的系统误差的测量；最后一部分是总结和展望。