在ATLAS实验数据中寻找超对称粒子和电子的判选

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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+(?)+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-400GeV,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。本论文共分七个部分: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。
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