利用ATLAS探测器测量单顶夸克与W玻色子伴随产生过程的截面

摘要

长久以来，人们一直在努力探索和理解物质世界的基本组成。在二十世纪六七十年代，物理学家们发展了标准模型理论，成功地解释了组成物质世界的基本粒子与它们之间的基本相互作用。标准模型不仅被大量的精确测量所证实，还做出了无数正确的预言。顶夸克是标准模型中质量最大的基本粒子，于1995年在费米实验室的Tevatron对撞机上被发现，顶夸克的发现巩固了标准模型三代夸克的结构。单顶夸克是通过弱相互作用产生的顶夸克，其产生过程的末态中只有一个顶夸克。单顶夸克不仅是检验标准模型的重要工具，还为寻找新物理提供了窗口。在实验上单顶夸克的测量却有很大的难度，单顶夸克的发现比顶夸克的发现晚14年，其中顶夸克是通过寻找t(t)产生过程发现的。
　　大型强子对撞机(LHC)是位于欧洲核子研究中心的粒子对撞机，具有迄今世界上最高的质心系能量。LHC在2011和2012年分别运行在√s=7TeV和√s=8TeV下，至今已产生了大量的对撞数据，为单顶夸克产生和性质的测量提供了很好的机会。ATLAS探测器是放置在LHC束流对撞点周围的高能粒子探测器，ATLAS能够探测、触发和记录LHC上粒子对撞所产生的事例。ATLAS探测器的结构和尺寸是为了重建出末态产物的性质而确定的。
　　本论文首次利用ATLAS探测器收集的√s=8TeV的pp对撞数据测量了单顶夸克与W玻色子伴随产生过程（Wt道）的截面，数据积分亮度为20.3fb-1。首先根据Wt道双轻子末态的特征进行了一系列的事例挑选，要求事例中有两个电荷异号的高横动量轻子(pT＞25GeV)，至少有一个高横动量的喷注(pT＞30GeV)，并根据喷注的数目对事例进行了分类。将一喷注和二喷注区域分别作为Wt信号区和t(t)控制区，并在两个区域中要求事例至少有一个b标记的喷注(MV1＞0.3511)来压低Diboson、Z+jets和Fakelepton本底。事例挑选后的Wt、t(t)、Diboson和Z+jets过程的产额和动力学分布是用模拟样本估计的，而Fakelepton本底的产额和分布是用矩阵方法从实验数据中估计的。经过事例挑选和本底估计，各个过程的总产额和分布很好地描述了实验数据。
　　由于事例挑选后的t(t)产额在总预期产额中占主要贡献，在一喷注和二喷注区域t(t)的预期贡献分别为80.3％和93.4％，本论文使用BDT多变量方法来区分事例挑选后的Wt和t(t)事例，从而来降低了t(t)对测量结果造成的误差。根据Wt和t(t)的事例性质和衰变产物的空间关联等信息构造了区分这两种事例的物理量，并将分辨能力强的物理量作为BDT的输入来提高BDT的性能。此外，还对BDT的训练参数进行了合理的挑选，不仅使BDT避免了过度训练，还使BDT达到了极好的性能，其中参照的性能为统计显著性。
　　对于此测量中的理论误差和实验误差，进行了详细的研究并理解了它们所产生的影响。大部分理论误差是通过比较不同理论模型的样本确定的，包括产生子与强子化模型、初末态辐射模型、Wt和t(t)的干涉效应。部分子分布函数(PDF)的误差是将样本从默认的PDF加权到误差PDF上估计的。多数实验误差的估计是通过偏移(shift)物理对象的效率、能量标度和分辨率等实现的，数据亮度的误差是由ATLAS亮度工作组直接提供的。此外，还将各个过程的系统误差传递到了它们的BDT模版上。
　　之后，利用极大似然拟合将信号和本底的BDT模版拟合到了实验数据的BDT分布上，从而测量了Wt道产生截面。然后利用频率论方法(Frequentistmethod)测量了Wt道产生截面的误差，其中考虑了系统误差的对BDT模版造成的归一化误差和形状误差。此外，通过整体测试(Ensembletest)计算了观测结果超出本底预期结果的显著性。最终，Wt道产生截面的测量值为27.2±2.8(stat)±5.4(syst)pb，相应的观测显著性为4.2σ，此测量值与标准模型的预期值一致。
　　最后，利用Wt道产生截面的测量值计算了CKM矩阵的元素|Vb|，计算结果为|Vtb|=1.10±0.12，相应的95％置信区间下限制值为0.72。