ATLAS实验上l~±vl~±vjj末态中的电弱物理研究

论文摘要

标准模型中的电弱理论是基于SU（2）× U（1）对称群的非阿贝尔规范场理论,它统一描述了电磁相互作用和弱相互作用。该理论预言了四种矢量玻色子,其中W±和Z0是弱相互作用的传播子,光子是电磁相互作用的传播子。标准模型中电弱对称群的非阿贝尔结构预言了玻色子的自相互作用。标准模型中的电弱理论通过电弱对称性破缺机制使W±±和Z0获得质量。多玻色子产生过程是检验电弱理论中的非阿贝尔规范结构的重要场所。矢量玻色子散射过程是研究电弱对称性破缺机制的重要渠道。此外多玻色子产生过程以及矢量玻色子散射过程是探测新物理的重要背景来源,因此对两个过程的观测和研究是寻找新物理的基础。本论文利用ATLAS实验上采集到的13 TeV质子-质子对撞数据,在同电性轻子对加两个喷注（l+vl±vjj）的末态中对矢量玻色子散射和多玻色子产生两种稀有电弱物理过程进行了观测和研究。论文首先研究了同电性WW的电弱产生过程,同电性WW散射是其重要的产生机制之一。矢量玻色子散射对电弱对称性破缺机制以及超出标准模型的新物理非常敏感。利用积分亮度为36.1 fb-1的质心能量为13 TeV的质子-质子对撞数据,寻找了同电性WW散射过程。信号事例的末态包括一对同电性的轻子（电子或缪子）以及一对强子喷注,这对强子喷注具有较大总不变质量以及较大快度差异。实验共观察到122个事例,期望的标准模型本底为69±7个事例。实验测量的同电性WW的电弱产生截面为2.91-0.47+1.51-0.29+0.28 fb（第一项误差为统计误差,第二项为系统误差）,相应的标准模型预言的截面为2.01-0.23+0.33 fb。观测（预期）的信号显著度为6.9（4.6）倍标准偏差。论文研究的另一项工作是寻找标准模型下WWW的产生过程,这是一个尚未被发现的标准模型过程。由于电弱对称群的非阿贝尔性质,规范玻色子可以彼此相互作用。研究WWW的产生过程为电弱理论中的非阿贝尔规范结构提供了实验依据。利用积分亮度为79.8 fb-1的质心能量为13 TeV的质子-质子对撞数据,寻找了WW 的产生过程。信号事例的末态包括一对同电性的轻子（电子或缪子）以及一对强子喷注,这对强子喷注的不变质量在W质量区间。实验共观察到798个事例,期望的标准模型本底为691±23个事例。实验测量的W±W±W（?）→l±vl±vjj信号强度（测量截面与标准模型截面的比值）为2.24-0.57+0.62,相应观测（预期）的信号显著度为4.26（1.69）个标准差。在与三轻子衰变通道（W±W±W+→l±vl±vl（?））联合之后,实验测量的WWW产生的信号强度为1.37-0.42+0.46,相应观测（预期）的信号显著度为3.3（2.4）倍标准偏差。ATLAS实验首次发现了同电性WW的电弱产生过程,这也表明了矢量玻色子散射过程的存在。此外,ATLAS实验首次观测到了WW 产生的迹象。以上测量和研究在LHC的能量前沿上检验了标准模型电弱理论。对这两个电弱物理过程的研究极大地受限于统计量,预期利用更多的对撞数据,可以更精确地测量这两个稀有电弱物理过程。

论文目录

摘要

ABSTRACT

Chapter 1 Introduction

Chapter 2 Theory

2.1 The Standard Model

2.1.1 Elementary Particles

2.1.2 Standard Model Theory

2.1.3 Electroweak Symmetry Breaking Mechanism

2.2 Vector Boson Scattering

2.3 Gauge Boson Self-interactions

Chapter 3 The Large Hadron Collider and the ATLAS Experiment

3.1 The Large Hadron Collider

3.1.1 Design of the Large Hadron Collider

3.1.2 Operational History

3.2 The ATLAS Experiment

3.2.1 Physics Requirements and Detector Overview

3.2.2 Magnet System

3.2.3 Inner Detector

3.2.4 Calorimetry

3.2.5 Muon Spectrometer

3.2.6 Forward Detectors

3.2.7 Trigger System

Chapter 4 Event Simulation, Object Reconstruction and Identifica-tion

4.1 Event Simulation

4.1.1 Simulation Framework

4.2 Object Reconstruction and Identification

4.2.1 Track

4.2.2 Primary Vertex

4.2.3 Elecreon

4.2.4 Muon

4.2.5 Jet

4.2.6 Missing Transverse Energy

Chapter 5 Same sign WW production at 13TeV

5.1 Introduction

5.2 Data and MC samples

5.3 Object and Event Selections

5.3.1 Object Selections

5.3.2 Event Selections

5.4 Background Estimation

5.4.1 Charge Mis-identification Background

5.4.2 Non-prompt Background

5.4.3 WZ Background

5.4.4 Wy Background

5.4.5 Low Mjj Validation Region

5.5 Systematic Uncertainties

5.5.1 Theoretical Uncertainties

5.5.2 Experimental Uncertainties

5.6 Cross Section Extraction

5.7 Results

Chapter 6 Triboson WWW Production at 13TeV

6.1 Introduction

6.2 Data and MC samples

6.3 Object and Event Selections

6.3.1 Object Selections

6.3.2 Event Selections

6.4 Background Estimation

6.4.1 Charge Mis-identification Background

6.4.2 Non-prompt Background

γ Background'> 6.4.3 W_γBackground

6.4.4 W Z Background

6.4.5 Validation of Various Background Estimations

6.5 Systematic Uncertainties

6.5.1 Theoretical Uncertainties

6.5.2 Experimental Uncertainties

6.6 Cross Section Extraction

6.7 Results

Chapter 7 Conclusions and Outlook

Bibliography

Acknowledgements

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张丽青

导师: 刘建北,赵政国

关键词: 标准模型,电弱物理,矢量玻色子散射,规范自相互作用,探测器

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O572.2

总页数: 136

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