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ATLAS實(shí)驗(yàn)上ZZ雙玻色子產(chǎn)生的物理研究

發(fā)布時(shí)間:2017-09-24 05:32

  本文關(guān)鍵詞:ATLAS實(shí)驗(yàn)上ZZ雙玻色子產(chǎn)生的物理研究


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【摘要】:在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞中,有多種物理機(jī)制可以產(chǎn)生ZZ雙玻色子末態(tài)。利用Z玻色子的輕子衰變(Z→ll)和中微子衰變(Z→vv),即雙輕子和丟失橫動(dòng)量的實(shí)驗(yàn)?zāi)⿷B(tài),本論文研究了ATLAS實(shí)驗(yàn)上在質(zhì)心系對(duì)撞能量為8TeV下采集的ZZ事例,總積分亮度為20.3fb-1。 首先,利用ZZ→llvv衰變道,我們測(cè)量了標(biāo)準(zhǔn)模型下ZZ產(chǎn)生的反應(yīng)截面。這一產(chǎn)生過(guò)程在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型下可以進(jìn)行精確的理論計(jì)算,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量,我們可以與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言相比較,驗(yàn)證理論計(jì)算。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的8TeV能量下ZZ產(chǎn)生的總截面為σZZtot=8.84-0.88+1.04(stat.)-0.85+0.87(syst.)-0.28+0.33(lumi.)pb;而在NLO精度下的理論預(yù)言結(jié)果為6.58-0.28+0.30pb;兩者相差為1.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。在最新的NNLO QCD修正下,理論計(jì)算結(jié)果為7.74-0.31+0.35pb,與我們的測(cè)量結(jié)果符合的更好。我們還進(jìn)一步利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尋找了三玻色子異常耦合對(duì)ZZ產(chǎn)生的可能貢獻(xiàn)。由于在實(shí)驗(yàn)上沒(méi)有觀察到與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的明顯偏差,我們給出了異常耦合參數(shù)的上限值。與ATLAS先前發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,我們獲得了對(duì)異常耦合最嚴(yán)格的限制。 2012年在LHC上發(fā)現(xiàn)的希格斯(Higgs)粒子被發(fā)現(xiàn)同樣具有離殼效應(yīng)(off-shell),這一效應(yīng)在Higgs質(zhì)量高于2倍于Z玻色子質(zhì)量(2mz)的范圍內(nèi)可以被觀察到,并對(duì)ZZ事例的產(chǎn)生增加額外的貢獻(xiàn)。因此H*→ZZ衰變提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)制來(lái)測(cè)量Higgs粒子的離殼耦合強(qiáng)度。利用ZZ→llvv末態(tài),在95%的置信水平下,Higgs離殼信號(hào)強(qiáng)度的上限被確定為在9.6-12.4的范圍內(nèi),預(yù)期的上限區(qū)間為8.8-13.3。進(jìn)一步與ZZ→4l及WW→evμv衰變道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合,我們觀察到(預(yù)期)的約束范圍為5.1-8.6(6.7-11.0)。在每種情況下,上限范圍是通過(guò)改變未知gg→ZZ和gg→WW本底的高階QCD修正因子與已知的gg→H→ZZ和gg→H→WW信號(hào)的高階QCD修正因子之間的比值來(lái)確定的,并且這一比值的變化區(qū)間為0.2-2。假設(shè)相關(guān)的Higgs的耦合是獨(dú)立于Higgs生產(chǎn)的能標(biāo),與在殼(on-shell)測(cè)量的耦合強(qiáng)度相結(jié)合,我們可以進(jìn)一步限制Higgs粒子的總的質(zhì)量寬度ΓH。在95%的置信水平下,我們獲得的觀察(預(yù)期)的ΓH/THSM范圍是4.5-7.5(6.5-11.2)。假定未知的gg→VV本底的高階QCD修正因子與信號(hào)的相同,這一結(jié)果可以轉(zhuǎn)化成Higgs總寬度在95%的置信水平下的上限,即觀察(預(yù)期)結(jié)果為22.7(33.0)MeV。 最后,基于H→ZZ→llvv衰變,我們尋找了質(zhì)量在240和1000GeV之間的新的Higgs粒子。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與本底假設(shè)相符合,我們?cè)O(shè)定了在雙Higgs二重態(tài)模型(2HDM)中的額外Higgs粒子產(chǎn)生的截面的上限。在這一模型中,tanβ的很大一部分范圍被排除了,并且排除范圍取決于cos(β-α);對(duì)于cos(β-α)=±0.1,tanβ1的區(qū)域,在95%的置信水平下,Higgs質(zhì)量在250-350GeV區(qū)間內(nèi)被排除了。我們還提供了獨(dú)立于任何物理模型的關(guān)于Higgs產(chǎn)生截面與H→ZZ分支比的乘積的上限。在膠子-膠子融合(ggG)反應(yīng)道下,對(duì)于一個(gè)質(zhì)量為400GeV的Higgs粒子,σggF×BΥH→ZZ在95%的置信水平下的上限為227fb,預(yù)期的上限為209fb。在矢量玻色子融合(VBF)反應(yīng)道下,σggF×BΥH→ZZ在95%的置信水平下的上限為248fb,預(yù)期的上限為136fb。
【關(guān)鍵詞】:粒子物理 ATLAS實(shí)驗(yàn) ZZ 標(biāo)準(zhǔn)模型 Higgs粒子 新物理
【學(xué)位授予單位】:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號(hào)】:O572.214
【目錄】:
  • 摘要6-8
  • 英文摘要8-10
  • acknowledgements10-13
  • 致謝13-15
  • Contents15-20
  • 附件20-21
  • 1 Introduction21-25
  • 2 Theory25-55
  • 2.1 The Standard Model of Particle Physics25-31
  • 2.1.1 Elementary particles26-27
  • 2.1.2 Electroweak theory27-29
  • 2.1.3 Electroweak symmetry breaking and the Higgs mechanism29-31
  • 2.2 Beyond the Standard Model31-34
  • 2.3 Dark Matter34-38
  • 2.3.1 Dark matter particle candidates34-35
  • 2.3.2 Effective field theories35
  • 2.3.3 Higgs portal35-37
  • 2.3.4 Dark matter detections37-38
  • 2.4 Phenomenology for the Large Hadron Collider38-44
  • 2.4.1 Hadronic collision39-42
  • 2.4.2 Monte Carlo event generators42-44
  • 2.5 Diboson physics at the LHC44-47
  • 2.5.1 Diboson production44
  • 2.5.2 Anomalous triple gauge couplings44-47
  • 2.6 Higgs physics at the LHC47-54
  • 2.6.1 Higgs production at LHC47-48
  • 2.6.2 Higgs decays48-50
  • 2.6.3 BSM Higgs benchmark models50-54
  • 2.7 Physics with ZZ production54-55
  • 3 The Large Hadron Collider and the ATLAS Experiment55-73
  • 3.1 The Large Hadron Collider55-59
  • 3.1.1 Design parameters and machine layout55-58
  • 3.1.2 Operation and performance58-59
  • 3.2 The ATLAS Experiment59-73
  • 3.2.1 Overview59-62
  • 3.2.2 Physics requirements62-63
  • 3.2.3 Inner Detector63-65
  • 3.2.4 Calorimeters65-68
  • 3.2.5 Muon Spectrometer68-70
  • 3.2.6 Trigger70-73
  • 4 The ATLAS Detector Simulation and Event Reconstruction73-105
  • 4.1 Event Simulation73-77
  • 4.1.1 Simulation framework73-75
  • 4.1.2 Fast simulation75-77
  • 4.2 Event Reconstruction77-105
  • 4.2.1 Track77-80
  • 4.2.2 Primary vertex80-81
  • 4.2.3 Electron81-91
  • 4.2.4 Muon91-96
  • 4.2.5 Jet96-101
  • 4.2.6 Missing Transverse Energy101-105
  • 5 Measurement of the SM ZZ Production Cross Section105-215
  • 5.1 Introduction105-111
  • 5.1.1 Theory and Experimental status107-108
  • 5.1.2 Analysis Overview108-111
  • 5.2 Theoretical calculations and uncertainties111-120
  • 5.2.1 Cross Section Definitions111-112
  • 5.2.2 Cross Section Prediction112-120
  • 5.3 Data and MC Samples120-122
  • 5.3.1 Data Samples120
  • 5.3.2 Signal MC modeling120
  • 5.3.3 Background MC modeling120-122
  • 5.4 Trigger122-123
  • 5.5 Physics Object Selection123-129
  • 5.5.1 Electrons123-125
  • 5.5.2 Muons125-127
  • 5.5.3 Jets127
  • 5.5.4 Missing Transverse Momentum127
  • 5.5.5 Primary Vertex and Pileup Reweighting127-128
  • 5.5.6 Object Overlap Removal128-129
  • 5.6 Event Selection129-136
  • 5.6.1 Preselection129-130
  • 5.6.2 l+l-vv Selection130-131
  • 5.6.3 Signal cut flow131-136
  • 5.7 Backgrounds136-160
  • 5.7.1 W Z background136-140
  • 5.7.2 tt,tW,WW and ττ background140-145
  • 5.7.3 Z background145-151
  • 5.7.4 Data-driven estimate of W and multijet background151-158
  • 5.7.5 The other backgrounds158-160
  • 5.8 Systematic Uncertainties160-171
  • 5.8.1 Electrons160-161
  • 5.8.2 Muons161-162
  • 5.8.3 Jets162-164
  • 5.8.4 Missing transverse energy164
  • 5.8.5 Luminosity and pileup164
  • 5.8.6 Theoretical uncertainties164-169
  • 5.8.7 Summary of systematic uncertainties169-171
  • 5.9 Selection Results171-177
  • 5.9.1 Final Numbers of Observed and Expected Events171
  • 5.9.2 Kinematic Distributions171-177
  • 5.10 Cross Section Extraction177-184
  • 5.10.1 Efficiency Correction Factor and Acceptance177-179
  • 5.10.2 Cross Section Extraction Procedure179-181
  • 5.10.3 Cross Section Results181-184
  • 5.11 Extraction of the Anomalous Triple Gauge Couplings(aTGC)184-201
  • 5.11.1 Introduction184-185
  • 5.11.2 MC samples and Observables Sensitive to aTGC's185-187
  • 5.11.3 TGC Parametrization and Matrix-element Reweighting187-191
  • 5.11.4 TGC Limits Setting191-194
  • 5.11.5 Binning Optimization194-196
  • 5.11.6 Results196-201
  • 5.12 Conclusions201-203
  • 5.13 Appendix203-215
  • 5.13.1 Background mc samples203-204
  • 5.13.2 Performance packages204
  • 5.13.3 Jet veto acceptance204-215
  • 6 Measurement of the Off-shell Higgs Signal Strength215-287
  • 6.1 Introduction215-217
  • 6.2 Analysis idea and theoretical considerations217-220
  • 6.3 Simulation220-244
  • 6.3.1 Simulation and corrections to the gg→VV→4f processes220-230
  • 6.3.2 Simulation and corrections to the qq→VV→4f background230-237
  • 6.3.3 Correlations between gg→VV→4f and qq→VV→4f237-238
  • 6.3.4 Simulation of VV final states in electroweak production modes238-242
  • 6.3.5 Dependence of the off-shell signal and the background interference on the signal strength242-244
  • 6.4 Analysis strategy in the ZZ→2l2v channel244-251
  • 6.4.1 Physics Object Selection244-248
  • 6.4.2 Cut Optimization248-251
  • 6.5 Background estimation251-262
  • 6.5.1 ZZ and WZ Backgrounds251-253
  • 6.5.2 WW,tt,Wt,and Z→ττ Backgrounds253-256
  • 6.5.3 Z→ee,μμ Backgrounds256-261
  • 6.5.4 W+jets and Multijet Backgrounds261-262
  • 6.6 Systematic uncertainties262-269
  • 6.6.1 Experimental Uncertainties262-263
  • 6.6.2 Theoretical Uncertainties263-269
  • 6.7 Event Selection Results269-271
  • 6.8 Extraction of off-shell couplings and Higgs total width271-280
  • 6.8.1 Extraction of off-shell couplings in H~*-→ZZ→llvv271-272
  • 6.8.2 Combination with H~*→ZZ→llll and H~*→WW→lvlv Channel272-275
  • 6.8.3 Constrains on the Higgs Total Width275-280
  • 6.9 Summary280-281
  • 6.10 Appendix281-287
  • 6.10.1 Additional study of theoretical uncertainties281-287
  • 7 Search for Heavy Higgs Bosons287-381
  • 7.1 Introduction287-289
  • 7.2 Data and Monte Carlo Samples289-291
  • 7.2.1 Data sample289
  • 7.2.2 Signal samples289
  • 7.2.3 SM Higgs samples289-290
  • 7.2.4 Other Background Samples290-291
  • 7.3 Selection of Physics Objects291-292
  • 7.4 Event Selection292-303
  • 7.4.1 Trigger292
  • 7.4.2 Event Preselection292-295
  • 7.4.3 H→ZZ→llvv Selection295-303
  • 7.5 Backgrounds303-333
  • 7.5.1 Di-boson background303-304
  • 7.5.1.1 ZZ background303
  • 7.5.1.2 WZ background303-304
  • 7.5.2 Z background304-314
  • 7.5.3 Wand multijet backgrounds314-326
  • 7.5.4 WW,tt,Wt and Z→ττ326-331
  • 7.5.5 Other backgrounds331
  • 7.5.6 Summary331-333
  • 7.6 Systematic Uncertainties333-337
  • 7.6.1 Experimental systematic uncertainties333-335
  • 7.6.2 Theoretical uncertainties335-337
  • 7.7 Results337-340
  • 7.8 Statistical interpretation340-358
  • 7.8.1 Likelihood definition340-341
  • 7.8.2 Fit inputs341
  • 7.8.3 Statistical uncertainties341
  • 7.8.4 Pruning of the Systematic Uncertainties341-342
  • 7.8.5 Nuisance parameter pulls and constraints342
  • 7.8.6 Nuisance parameter correlations342-345
  • 7.8.7 Nuisance parameter ranking345
  • 7.8.8 Postfit plots345-358
  • 7.9 Exclusion Limits358-364
  • 7.9.1 Exclusion limits on narrow-width Higgs358-359
  • 7.9.2 Esclusion limits on 2HDM359-364
  • 7.10 Conclusion364-365
  • 7.11 Appendix365-381
  • 7.11.1 MC samples for the Higgs signal365
  • 7.11.2 Expected Higgs signal yields365
  • 7.11.3 Signal acceptance uncert ainty365-373
  • 7.11.4 WZ Theory Uncertainties373-376
  • 7.11.5 Pruning of systematics and MC statistical uncertainties376-380
  • 7.11.6 2HDM Interpretation380-381
  • 8 Summary381-383
  • 9 The Expected Sensitivity for Run 2383-393
  • 9.1 Introduction383-385
  • 9.2 Expected Sensitivity for Invisible Higgs Search385-387
  • 9.3 Expected Sensitivity for Higgs Off-shell Signal Strength Measurement387
  • 9.4 Expected Sensitivity for Heavy Higgs Search387-391
  • 9.5 Summary391-393
  • Bibliography393-413

【共引文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 閆永宏;魏來(lái);溫賢倫;吳玉遲;趙宗清;張博;朱斌;洪偉;曹磊峰;姚澤恩;谷渝秋;;Calibration and Monte Carlo simulation of a single-photon counting charge-coupled device for single-shot X-ray spectrum measurements[J];Chinese Optics Letters;2013年11期

2 郭奉坤;Ulf-G.Mei?ner;王偉;;Production of Charged Heavy Quarkonium-Like States at the LHC and Tevatron[J];Communications in Theoretical Physics;2014年03期

3 王青;;2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)介紹:規(guī)范粒子質(zhì)量的起源[J];物理與工程;2014年01期

4 劉星;曹學(xué)香;李公平;魏龍;,

本文編號(hào):909637


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