（粒子物理与原子核物理专业论文）atlas实验bjet判选算法的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 鼍墨- 鼍量| 曾_ _ _ e 皇量_ _ 皇ii i ! _ _ 一 符号说明 q c d q u a n t u mc h r o m od y n a m i c s 量子色动力学 l h c ：l a r g eh a d r o nc o l l i d e r 大型强子对撞机 c e r n ：c o n s e i le u r o p e e np o ul ar e c h e r h en u c l e a i r e ( e u r o p e a no r g a n i z a t i o nf o rn u c l e a rr e s e a r c h ) 欧洲核子物理研究中心 a t la s ：at o r o i d a ll h ca p p a r a t u s h i g g s = 黑格斯粒子 刁：e t a 赝快度，= - i n ( t a n ( e 2 ) ) 秒：从粒子对撞点出发的射线和束流线z 轴正向的夹角 ：p h i ，绕z 轴，即束流方向的旋转角 p t 横动量，垂直于l h c 束流方向的动量分量 b - j e t b 夸克产生的j e t u - j e t ：u 夸克产生的j e t ，本文中通指u ，d ，s 夸克产生的j e t b - t a g g i n g - 从u - j e t 中挑选b - j e t 的方法 p s ：皮秒，l p s = 1 0 。1 2 秒 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 竭煎 e l期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 主玉整导师签名： 哗一叫 山东大学硕士学位论文 中文摘要 预计于2 0 0 8 年开始启用的大型强子对撞机l t t c ( l a r g eh a d r o nc o l l i g e r ) 是 正在研制的世界上规模最大的粒子加速器，也是全世界最强的粒子物理研究工 具。l h c 位于瑞士法国边境上的日内瓦的c e r n ( e u r o p e a no r g a n i z a t i o nf o r n u c l e a rr e s e a r c h ，欧洲核子物理研究中心) 实验室，它的加速环周长达2 7 1 m ， 中心碰撞能量达1 4 t e v 。l h c 的对撞束流团间隔为2 5 n s ，束流团亮度高达到 1 0 m c t t l 吨s 。l h c 超高的能量和亮度将为粒子物理的研究开辟一个更广阔的领域， 带来更多的挑战，l h c 可以对粒子物理的标准模型理论进行精确验证，并探索能 够驱动弱电标准模型中自发对称性破缺的黑格斯机制，寻找h i g g s 粒子。 在l h c 环形隧道上，将主要进行4 个粒子对撞探测实验：a t l a s ( at o r o i d a l l h ca p p a r a t u s ) 、a l i c e ( al a r g ei o nc o l l i d e re x p e r i m e n t ) 、c m s ( c o m p a c t m u o ns o l e n o i d ) 和l h c b 。a t l a s 是l h c 计划中最大的一个综合实验之一，它是一 个大型多用途粒子探测器。a t l a s 最主要的目的是寻找h i g g s 粒子，同时它也将 用来寻找较重的类w 、z 玻色子、超对称粒子，研究基本费米子的结构，精确测量 w 和t 夸克质量以及研究b 衰变中的c p 破坏。a t l a s 探测器主要由内部径迹探测器 ( i n n e rd e t e c t o r ) 、电磁量能器( e l e c t r o m a g n e t i cc a l o r i m e t r y ) 、强子量 能器( h a d r o n i cc a l o r i m e t r y ) 、i i 子谱仪( m u o ns p e c t r o m e t e r ) 、磁铁系统 几部分组成。 标准模型是一个近似“完美”的理论，除了s m 黑格斯粒子，标准模型预言的其 他粒子都已经在实验上找到，而且理论预言的数值和实验测量值在很高的精度上 保持了一致性。虽然如此，标准模型并不是一个最后的理论，标准模型以外还存 在着新的物理，“大统一”的理论应该能够包罗万象。标准模型的大部分物理过程 或者超标准模型的物理过程都包含b q u a r k 衰变，标准模型中的h i g g s 粒子有很 高的几率衰变到b q u a r k 或者是包含b - q u a r k 的末态。因此精确分辨b - q u a r k 产生 的b j e t 对于验证标准模型，发现h i g g s 粒子具有重要意义。b - t a g g i n g 就是从众 多的l i g h tq u a r kj e t s 和g l u o nj e t s 背景事例中分辨出b - j e t 。1 9 9 5 美国费米实 验室的科学家发现t o pq u a r k 也得益于b t a g g i n g 算法的改进。为寻找h i g g s 粒 山东大学硕士学位论文 子，a t l a s 实验中提高b t a g g i n g 的效率具有很重要的意义。 当前a t l a s 使用b t a g g i n g 的算法主要分3 种： 1 ) 基于粒子径迹碰撞参数( 初级作用顶点) 的算法； 2 ) 基于b j e t 中次级顶点的算法： 3 ) 基于b j e t 中l e p t o n 的算法； 本论文的主要目的是研究a t l a s 实验中b - j e t 的判选算法，探讨如何通过联合 当前算法提高a t l a s 实验中b - j e t 的判选效率。首先，本文选用m o n t ec a r l o 模拟 程序产生的万轻子化衰变道事例，对a t l a s 实验的粒子径迹进行了重建，并分析 了径迹重建的精度，a t l a s 实验在低的刁、高的p t 的情况下，径迹重建程序对径 迹的重建效率比较好，径迹重建程序对粒子径迹的d o 、z 0 的重建精度很高，真实 粒子径迹和重建出来的粒子径迹的d 0 之差的r m s 为0 i m m ，z o 之差的r m s 值为 0 3 咖；接着，本文详细介绍了i p 2 d 3 d ，s v i ，j e t f i t t e r 这三种b - j e t 判选算法， 分析了这三种算法各自的原理以及各相关参量的分布，给出了3 种算法的鉴别参 数d i s c r i m i n a t o r 分布情况图和各种算法中的b - j e t 的效率图；然后本论文首次利 用贝叶斯方法联合i p 3 d 和j e t f i t t e r 两种b - j e t 判选算法，提高了b - j e t 的判选的 效率；最后，本文选用了l o 个b j e t 判选特征量作为输入，利用t m v a ( t o o l k i tf o r m u l t i v a r i a t ea n a l y s i s ) 软件包所提供的人工神经网络方法进行了多参量的分 析，研究了各特征量的分布情况和线性关系，利用具有两个隐含层的前馈式人工 神经网络对b - j e t 和u - j e t 的进行分辨，进一步提高了b - j e t 的判选的效率，得到 了较满意的效果。 2 关键词：a t l a s ，b - j e t ，b - t a g g i n g ，人工神经网络，贝叶斯方法 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew o r l dl a r g e s tp r o t o n - p r o t o nc o l l i d e r - 一l a r g eh a d r o nc o l l i d e r ( l h c ) ，w h i c h i sd e s i g n e db yt h ee u r o p e a no r g a n i z a t i o nf o rn u c l e a rr e s e a r c h ( c e r n ) ，i ss u p p o s e d t os t a r td o i n gp h y s i c si n2 0 0 8 t h el a r g eh a d r o nc o l l i d e r ( l h c ) m a i n l yc o n s i s t so fa 2 7l a nr i n go fs u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t sw i t l lan u m b e ro fa c c e l e r a t i n gs t r u c t u r e s a b o u t1 0 0m u n d e r g r o u n d t h eh i 曲e n e r g i e sr e a c h e db yt h el h c ( ac e n t r eo fm a s s e n e r g yo f 14t e va n da d e s i g nl u m i n o s i t yo fl0 3 4 铡。2 s 一) c a nb eu s e dt ov a l i d a t et h e s t a n d a r dm o d e lo rs e a r c hh i g g sp a r t i c l e t h e r ea l ef o u re x p e r i m e n t su n d e rc o n s t r u c t i o na tt h ec o l l i d i n gp o i n t so fl h c ： a t l a s ( at o r o i d a ll h ca p p a r a t u s ) ，c m s ( c o m p a c tm u o ns o l e n o i d ) ，a l i c e ( al a r g ei o nc o l l i d e re x p e r i m e n t ) a n dl h c b t h ea t l a se x p e r i m e n ti so n eo f t w og e n e r a lp u r p o s ed e t e c t o r sa tl h c i tw a sd e s i g n e dt oe x p l o i tt h ef u l ld i s c o v e r y p o t e n t i a lo fl h c ，t os e a r c hf o rh i g g sp a r t i c l ea n dh e a v yw a n dz o b j e c t s ，f o r s u p e r - s y m m e t r i cp a r t i c l e s ，f o rc o m p o s i t e n e s so ft h ef u n d a m e n t a lf e r m i o n s ，a n dt o i n v e s t i g a t et h ec pv i o l a t i o ni nb - p h y s i c s t h ea t i 。asd e t e c t o rc o n s i s t so ff o u rm a j o r c o m p o n e n t s ，t h ei n n e rd e t e c t o r , t h ec a l o r i m e t e r , t h em u o ns p e c t r o m e t e r , a n dt h e m a g n e ts y s t e m f o rd e c a d e s ，t h es t a n d a r dm o d e lo f p a r t i c l ep h y s i c sh a ss e r v e dp h y s i c i s t sw e l la s am e a n so fu n d e r s t a n d i n gt h ef u n d a m e n t a ll a w so fn a t u r e ，b u ti td o e sn o tt e l lt h e w h o l es t o r y t od a t e , a l m o s ta l le x p e r i m e n t a lt e s t so ft h et h r e ef o r c e sd e s c r i b e db yt h e s t a n d a r dm o d e lh a v ea g r e e dw i t hi t sp r e d i c t i o n s c u r r e n t l yt h es t a n d a r dm o d e l p r e d i c t st h a tt h e r ei so n em o r ep a r t i c l et ob ed i s c o v e r e d ，t h eh i g g sb o s o n t h el a r g e h a d r o nc o l l i d e ri se x p e c t e dt of i n dh i g g sp a r t i c l e t h ei m p o r t a n c et h a ta t l a s p l a c e so nb - t a g g i n gf o rl h cp h y s i c sh a si n c r e a s e do v e rt h ep a s ty e a r a sar e s u l to f r e c 瑚td e t a i l e ds t u d i e so fh i g g sa n ds u p e r s y m m e t r y ( s u s y ) s i g n a t u r e s ，w h i c hw e r e p e r f o r m e df o rt h ea t l a st e c h n i c a lp r o p o s a l ( t p ) a n df o rt h ed i s c u s s i o n sw i 血t h e l h c r e f e r e e s b - t a g g i n gi na t l a sp l a y sar e l e v a n tr o l ei nm a n ya n a l y s e sw h e r et h e 3 山东大学硕士学位论文 s i g n a le v e n t sw i t ho n eo rm o r eb o t t o m q u a r kj e t si nt h ef i n a ls t a t eh a v et ob e s e p a r a t e df r o mah u g ea m o u n to fb a c k g r o u n de v e n t sw h i c hm a i n l yc o n t a i nu p - ，d o w n - a n ds t r a n g e - q u a r kj e t so rc - q u a r kj e t s t h ev e r yl a r g en o n - bj e tb a c k g r o u n d so f t e n d e m a n dt h a ta l lb - q u a r k sp r e s e n ti nt h ef i n a ls t a t eu n d e rs t u d yb ei d e n t i f i e d t h e r e f o r e b - t a g g i n gw i t ha sh i g ha i le f f i c i e n c ya sp o s s i b l e ，u s i n gi m p a c tp a r a m e t e ra l g o r i t h m s t o g e t h e rw i t ht h ev e r t e x i n ga l g o r i t h m s ，w i l lb eo n eo ft h ek e y st oas u c c e s s f u ls e a r c h f o rn e wp h y s i c sa tl h c t h i sh a sb e e np i o n e 蜘e dw i t hg r e a ts u c c e s sb yt h ec d f c o l l a b o r a t i o na tt h ef e r m i l a bt e v a t r o n , f o rt h ed i s c o v e r yo ft h et o p q u a r k t h e r ea l e3c l a s s e so f b - t a g g i n ga l g o r i t h m si m p l e m e n t e di na t l a ss of a r ： ( i ) i m p a c tp a r a m e t e rs i g n i f i c a n c eo ft r a c k s ( w i t l lr e s p e c tt ot h er e c o n s t r u c t e d p r i m a r yi n t e r a c t i o np o i n t ) ( i i ) r o c o n s t r u c t i o no fad i s p l a c e dv e r t e xa n di t sp r o p e r t i e s ( i i i ) r e c o n s t r u c t i o no f as o f tl e p t o nf r o mt h es e m i - l e p t o n i cb d e c a yi n s i d et h ej e t t h ed e f a u l ta t l a s b - t a g g i n ga l g o r i t h mm a k e su s eo fac o m b i n a t i o no ft h ef i r s t t w om e t h o d s t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st oi n v e s t i g a t et h ep o s s i b i l i t yo fs e p a r a t i n gt h eb j e t f r o ml a r g en u m b e r so fu - j e tb a c k g r o u n d i nt h i st h e s i s ，s e v e r a lb - t a g g i n ga l g o r i t h m s w e r es t u d i e db yu s i n gm cs a m p l e s u s i n gt e nv a r i a b l e sa si n p u t s ，m u l t i v a r i a n t a n a l y s i si sp e r f o r m e dw i t ht m v a ( t o o l k i tf o rm u l t i v a r i a t ea n a l y s i s ) p r o g r a mt o s e p m a t et h eb - j e tf r o mu - j e t 4 k e y w o r d ：a t l a se x p e r i m e n t , b - j e t ，b - t a g g i n g ，a n n ，b a y e s i a n 山东大学硕士学位论文 1 11 _ _ - _ 自日_ _ - _ | _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ | _ - l 目s ! | _ - _ l _ 自i 自! g _ 自_ _ _ _ e _ _ _ l _ _ | i e l g _ _ _ j _ 自l 目目| l _ _ _ 1 1 高能物理的发展 第一章引言 高能物理学又称粒子物理学，它是物理学的一个分支学科，研究的主要内容 是粒子的种类，性质，它们之间的相互作用力，它们是由什么构成和如何构成的， 粒子层次和组成它们的更基本的组元层次的新现象和新规律。它是- f - j 基础学 科，是当代物理学发展的前沿之一。粒子物理学是以实验为基础，而又与实验和 理论的密切结合分不开的。随着科学的发展，一般总是发现物质有更深层次的结 构，是由更小的组元构成的。因此，粒子物理学的研究对象和它的研究方法是在 不断变化的，目前对所能探测到的物质结构最深层次的研究称为粒子物理学。自 从二十世纪初量子力学建立以来，粒子物理学得到了迅速的发展n 嬲。 其发展大致经历3 个阶段。 第一阶段( 1 8 9 7 1 9 3 7 ) 可追溯到1 8 9 7 年发现第一个基本粒子电子。1 9 3 2 年查德威克在用a 粒子轰击核的实验中发现了中子，随即人们认识到原子核是由 质子和中子构成的，从而形成所有物质都是由基本的结构单元质子、中子、 电子构成的统一的世界图像。质子、中子、电子和爱因斯坦提出并被r a 密立 根和a h 康普顿等人实验证实的光子、w 泡利假设存在的中微子( 1 9 5 6 年最终 被实验证实) 以及p a m 狄拉克预言并被c d 安德森1 9 3 2 年在宇宙线中观察 到的正电子都被认为是基本粒子或亚原子粒子。在这一阶段，宇宙线是人们所能 利用的唯一的高能粒子来源阻1 。 在此阶段，理论上建立了量子力学，这是微观粒子运动普遍遵从的基本规律。在 相对论量子力学的基础上，通过场的量子化初步建立量子场论，很好地解决了场 的粒子性和描述粒子的产生、湮灭等问题。随着原子核物理的发展，发现在相当 于原子核大小的范围内除了引力相互作用电磁相互作用之外，还存在比电磁作用 更强的强相互作用和介于电磁作用和引力作用之间的弱相互作用，前者是核子结 合成核的核力，后者引起原子核的1 3 衰变。对于核力的研究认识到核力是通过交 换交子而产生的，并根据核力的电荷无关性建立起同位旋概念。 第二阶段( 1 9 3 7 - - 1 9 6 4 ) 陆续发现了众多的粒子。1 9 3 7 年从宇宙线中发现“ 6 山东大学硕士学位论文 子，后来证实它不参与强作用，它和与之相伴的p 中微子同电子及与之相伴的电 子中微子可归入一类，统称为轻子。1 9 4 7 年发现胜介子，1 9 5 0 年发现加介子， 1 9 4 7 年还发现奇异粒子。5 0 年代粒子加速器和各种粒子探测器有了很大发展， 从而开始了用加速器研究并大量发现基本粒子的新时期，各种粒子的反粒子被证 实：发现了为数不少的寿命极短的共振态。基本粒子的大量发现，其中大部分是 强子，人们怀疑这些基本粒子的基本性。人们尝试将强子进行分类，提出颇为成 功的强子分类的“八重法”。 这一阶段理论上最重要的进展是重正化理论的建立和相互作用中对称性的 研究。关于描述电磁场量子化的量子电动力学，通过重正化方法消除了发散困难， 对于电子和肛子反常磁矩以及兰姆移位的理论计算与实验结果精确符合。量子电 动力学经受众多实验检验，成为描述电磁相互作用的成功的基本理论。对称性与 守恒定律联系在一起，关于相互作用中对称性的研究，最为重要的结果是1 9 5 6 年李政道、杨振宁提出弱作用下宇称不守恒，1 9 5 7 年被吴健雄等人的实验及其他 实验证实，这些实验同时也证实了在弱作用下电荷共轭宇称不守恒。这些研究推 动弱作用理论的进展。 第三阶段( 1 9 6 4 )以提出强子结构的夸克模型为标志。1 9 6 4 年m 盖耳曼和g 兹韦克在强子分类八重法的基础上分别提出强子由夸克构成，夸克 共有上夸克u 、下夸克d 和奇异夸克s 三种，它们的电荷、重子数为分数。夸克 模型可以解释当时已发现的各种强子。夸克模型得到后来进行的高能电子、高能 中微子对质子和中子的深度非弹性散射实验的支持，实验显示出质子和中子内部 存在点状结构，这些点状结构可以认为是夸克存在的证据。1 9 7 4 年发现j v 粒 子，其独特性质必须引入一种新的粲夸克c ，1 9 7 9 年发现另外一种独特的新粒子 y ，必须引入第5 种夸克，称为底夸克b 。另一方面，1 9 7 5 年发现重轻子t ，并有迹 象表明存在与百相伴的百中微子，于是轻子共有6 种。迄今的实验尚未发现轻子有 内部结构。人们相信轻子是与夸克属于同一层次的粒子。轻子与夸克的对称性意 味着存在第6 种顶夸克t 。1 9 9 4 年4 月2 6 日，美国费米国家实验室宣布已找到顶夸 克存在的证据嘲。 这一阶段理论上最重要的进展是建立电弱统一理论和强相互作用研究的进 展。1 9 6 1 年s l 格拉肖提出电磁作用和弱作用的统一模型，其基础是杨振宁 7 山东大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ 鼻皇_ - _ i i _ _ _ _ _ _ 置_ 邕墨量- _ l 皇詈皇鲁量_ | _ _ _ 目_ 皇皇_ _ _ _ _ _ _ 量_ i i 和r l 密耳斯于1 9 5 4 年提出的非阿贝耳规范理论。按照这一模型，光子是传递 电磁作用的粒子，传递弱作用的粒子是形和z o 粒子， 但是矿和z o 是否具有 静质量，理论上如何重正化问题没有解决。1 9 6 7 - 1 9 6 8 年在对称性自发破缺的基 础上，s 温伯格、a 萨拉姆发展了格拉肖的电弱统一模型，建立了电弱统一的 完善理论阳儿利，阐明了规范场粒子形、z o 是可以有静质量的，理论预言它们的 质量在8 0 - - - l o o g e v ，此外还预言存在弱中性流。1 9 7 3 年观察到弱中性流，1 9 8 3 年 发现形士、z o 粒子，其质量( m w = 8 0 g e v ，m z , - 9 0 g e v ) 及特性同理论上预言的完 全相符。关于强作用的研究，1 9 7 3 年g 霍夫特、d j 格罗斯等人发展了量子色 动力学理论。量子色动力学与量子电动力学一样，也是一种定域规范理论。在这 个理论中，夸克之间的强相互作用是由于夸克具有色荷交换色胶子而产生的， 胶子没有静质量，但带有色荷。强相互作用具有渐近自由的性质，即夸克之间的 强相互作用并不是随着它们的距离增大而减弱，而是相反；当它们相距很近而处 于强子内部时，相互作用很弱，可近似地看成是自由的，从而能够说明夸克、 胶子的禁闭性质、轻子对强子深度非弹性散射的异常现象以及喷注现象等。 在粒子物理学的深层次探索活动中，粒子加速器、探测手段、数据记录和处 理以及计算技术的应用不断发展，既带来粒子物理本身的进展，也促进整个科学 技术的发展；粒子物理所取得的丰硕成果已经在宇宙演化的研究中起着重要的作 用。高能加速器是近年来发展粒子物理的最重要的实验装置，但随着能量的提高， 目前建造费用已增加到非一个国家所能负担的程度，必须衡量发展本国科技的轻 重缓急并走国际合作的道路，随着技术与探测手段的发展，一些基于非加速器的 装置上，如地下及高山的宇宙线实验装置，质子衰变探测器等，也做出重要的贡 献，总之，更高能量，更高精度与更高性能这三方面是今后实验设备的努力方向。 物理学是一门以实验为基础的科学，粒子物理学也不例外。因此，新的粒子 加速原理和新的探测手段的出观，将是意义深远的 1 2 夸克模型 由于无数的新粒子被发现，物理学家们了解到之前认为物质是由质子、中子 和电子这三种基本粒子组成的这个理论无法对其作出解释。在二十世纪六十年代 山东大学硕士学位论文 中期，吉曼和兹威革的夸克理论解决了这个问题。经过三十年的研究和实验，基 本粒子的标准模型肯定了夸克理论。 最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味 ( f l a v o r ) ，它们分别是上夸克( u p ，u ) 、下夸克( d o w n ，d ) 和奇异夸克( s t r a n g e ，s ) 。 1 9 7 4 年丁肇中领导的实验小组发现t j v 粒子，要求引入第四种夸克粲夸克( 魅 夸克) ( c h a r m ，c ) 。1 9 7 7 年在费米实验室发现了t 粒子，要求引入第五种夸克 底夸克( 美夸克) ( b o t t o m b e a u t y ，b ) 。1 9 9 5 年费米实验室宣布发现第六种夸克 顶夸克( t o p ，t ) ，人们相信这是最后一种夸克。现在认为强子都是由三代六种夸 克和相应的反夸克组成。夸克均为自旋h 2 的费米子，粒子谱中的重子( 例如质 子、中子) 由3 个夸克组成。介子则是由一个夸克和一个反夸克组成。 轻子( 自旋壳忽)夸克( 自旋壳2 ) 味质量( g e v )电荷昧质量( g e v )电荷 电子中微子 l - 5 1 0 0u 上夸克3 l 旷 2 3 e 电子 0 5 1 1 1 0 - id 下夸克6 l o _ 一l 3 咋l i 子中微子 0 1 9 x 1 0 5o c 粲夸克 1 3 2 3 m u o n 0 1 0 6- 1s 奇异夸 o 1一l 3 克 y ft 鲫中微子 0 0 1 8ot 顶夸克 ，一1 7 52 3 ft a u 1 7 7 7- i b 底夸克 4 - 3 - 1 3 表1 1 标准模型中的三代夸克 从夸克模型建立后，人们就希望可以找到夸克独立存在的证据，然而当人们 试图打开质子或者中子时，却从未发现单个的、自由的夸克，只有两个或3 个夸 克的集合体才能处于自由状态，通常情况下夸克总是被约束在质子和中子内部。 1 9 7 3 年，格罗斯、波利策和维尔切克提出了“渐近自由理论，揭示了因此没有 夸克可以从原子核中向外迁移，获得真正的自由。因此不可能找到单个的夸克。 与夸克相对应的，不参与强相互作用的粒子称为轻子，标准模型将轻子也分 为三代，每代二种，分别是三代带电轻子e ，p 和t ，以及与每种类型的带电 9 山东大学硕士学位论文 轻子相对应的三代中性的中微子圪、吒和圪，均为自旋j i 2 的费米子。与之 相对应还存在着三代六种反轻子。 e l e m e n t a r y p a r t i c l e s 叻 烈ct 名 u p c h a r m t o p 詈 bdsb d o w n s t r a n g e b o t t o m 鸯i 瞻荔v 砖；1 1 譬 瞻_ j i 。薹。受铡撷唆黪黪酗啦爨rn e u t 。r i n o 。 1 ：q _ ；_ i 。 * ， ， 。d，一。+ j ：一 。 。；i ：e i 爹i 豢。乒o jf ： ii | | 咄c t r 鳇o n i j 1m t t o t 蜂i 爹t a u 薹 3j ii ii i i 6 - - g e n e r a t i o n s 图1 1 标准模型中的三代夸克 此外还有一种用来传播基本力的粒子被称为传播子。传播电磁力的粒子是光 子y ，传播强相互作用的粒子是胶子g ，传播弱相互作用的粒子是规范玻色子 形、z o ，而传播引力的粒子被命名为引力子，但这个粒子还没有发现，目前 也没有存在这个粒子的实验证据。 1 3 基本相互作用 现在我们认为物质世界的千变万化的现象归根结底只通过四种基本力起作 用，即引力相互作用，电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用 引力相互作用是存在于任何两个物体之间的吸引力；电磁相互作用从本质上 来说是运动电荷间产生的；弱相互作用是产生于放射性衰变过程和其他一些“基 本粒子衰变等过程之中的；强相互作用则能使像质子、中子这样一些粒子集合 在一起。弱相互作用和强相互作用是微观粒子间的相互作用。现在我们常遇到的 力，如重力、摩擦力、弹性力、库仑力、安培力、分子力、原子力、核力等等， 都可归结为这四种基本相互作用。 l o 嚣慧戮黧 山东大学硕士学位论文 长期以来，人们对物理理论的归纳综合进行了深入探索，希望可以找到四种 基本相互作用之间的联系。经过许多物理学家的不懈的努力1 9 6 7 - 1 9 6 8 年温伯 格( s w e i n b e r g ，1 9 3 3 - ) 萨拉姆( a s a l a m , 1 9 2 6 一) 和格拉肖( s l g l a s h o w ，1 9 3 2 - ) 提出一个理论，把弱相互作用与电磁相互作用统一为电弱相互作用。后来这个电 弱相互作用理论为实验所证实这个发现把原先的四种基本相互作用统一为三个 为此，他们三人于1 9 7 9 年共获诺贝尔物理学奖鲁比亚( c r u b b i a ，1 9 3 4 - ) 和范德 米尔( v a n d e rm e e r ，1 9 2 5 一) 两人因从实验证实弱电相互作用，于1 9 8 4 年获诺贝尔 物理学奖由于受到发现电弱相互作用的鼓舞，许多物理学家正在进行电弱相互 作用和强相互作用之间统一的研究，并企盼把万有引力作用也包括进去，以实现 相互作用理论的“大统一一。 简称力程( m )强度性质传递媒介举例 粒子质量自根) 强 t1 0 - 1 5 l 1 0 引，斥介敢互)1 3 5 m e vl核力 电磁 l 1 3 7引，斥 光讯y ) 0l原子核 与电子 弱 2 4 凰，端盖部分堙6 。能量分辨率 为a e ，e = i o 。d i 1 ( 能量g e v ) ，粒子簇射方向测量精度在0 方向为 山东大学硕士学位论文 5 0 m r a d e 。 强子量能器：强子量能器的圆桶部分采用了铁吸收体+ 闪烁体技术，分辨区 域分割为a t 矽o 1 0 1 ，在r l = 0 处量能器的厚度，包括支撑架，为11 个强作 用长度。端盖和前向部分采用铜吸收体+ 液氩技术，但前向部分的密度更高，距 离对撞点5 米。在lni 3 ，a e e = 1 0 0 9 6 1 4 e 1 0 9 6 。 2 41 1 子谱仪 a t l a s 探测器中的高动量分辨的斗子谱仪，是整个实验中非常重要的组成 部分。高动量的末态斗子由于其信号易于和其它粒子分开，而且存在于黑格斯粒 子的许多衰变道中，在黑格斯粒子和t o p 夸克的寻找中具有重要的作用。图( 2 - 6 ) 是碰撞产生的多种末态粒子从a t l a s 探测器穿过的示意图。从图( 2 - 6 ) 中可 以看出，斗子是其中唯一一种可以贯穿探测器的粒子。 p h o t o ，m ， e - - - - - - - - j f - n l u o n s - _ _ _ _ _ i 卜 冗+ ，p o n - t r a c k i n ge l e c t r o m a g n e t i c h a dr o nm u o n c h a m be rc a l o r i m e t e rc a l o r i m e t e rc h a m b e r i n n e r m o s t 乙夥e r 一一一x 一涉o u t e r m o s tl a y e r 图2 6 碰撞产生的多种末态粒子从a t l a s 探测器穿过的示意图，其中只有子可以到达探测 器最外层p 子谱仪 2 0 山东大学硕士学位论文 a t l a s 探测器的i j j 子谱仪按桶部和端盖部分进行布局，示意图如图2 - 7 所示。肛子谱仪位于整个a t l a s 探测器系统的最外层，它包住了其它探测器。 图2 7 “子谱仪结构 p 子谱仪包括二大部分，一部分是产生斗子径迹偏转的强磁场超导磁铁 系统，位于量能器外面的空气芯回旋磁体系统采用开放式结构，该系统产生非常 大的磁场空间和很强的弯曲力，并保持了最小的多次散射。另一部分是测量斗子 径迹的探测器。 2 1 山东大学硕士学位论文 第三章a t l a s 实验中粒子径迹的重建 本论文的主要目的是利用m o n t ec a r l o 模拟数据研究在a t l a s 实验中从u j e t 背景事例中挑选出b - j e t 的有效方法，为此需要大统计量的模拟数据。b - j e t 的判选 效率与a t l a s 实验中径迹的重建效率有重要关系，对b - j e t 的判选主要依靠从a t l a s 内部探测器重建出来的径迹信息。本章对a t l a s 实验中径迹的重建进行了研究。 3 1 径迹的模拟和重建 为了研究a t l a s 当前的分析程序对于粒子径迹的重建的效率，需用m o n t e c a r l o 方法产生具有足够统计量的事例样本，该样本应尽量与实验数据一致。为 得到所需的m o n t ec a r l o 模拟事例样本，本文选取了5 万个t t b a r 轻子衰变道蒙特 卡罗事例来研究粒子径迹的重建。 模拟数据的产生包括全模拟( f u l ls i m u l a t i o n ) 和快模拟( f a s ts i m u l a t i o n ) 两种，本章中使用的数据全部为全模拟数据。全模拟包括产生，模拟，数字化， 重建等步骤。 事例的产生( g e n e r a t i o n ) 模拟数据的产生包括以下几个过程：利用m c a t n l o 产生子程序和j i 皿n y 程序模 拟t t b a r 事例的衰变、簇射和强子化过程。本工作仅使用了t o p 夸克轻子化衰变道 样品，样品数据为a t l a s 官方正式数据 m c l 2 0 0 5 2 0 0 t l _ m c a t n l o _ j i m m y e v g e n e v n t v 1 2 0 0 3 1 0 1 。 探测器模拟( s i m u l a t i o n ) 由事例产生器产生了过程的末态粒子进入探测器，这个过程由探测器模拟过 程完成。a t l a s 探测器的模拟是基于g e a n t 4 完成的。 本研究中使用a t l a s 官方的默认1 2 o 3 l 版本的模拟程序，由于b t a g g i n g 的过程主要用到粒子径迹的信息，而粒子径迹的信息主要由内部探测器给出，因 此这里我们只考虑内部探测器的响应。在事例的模拟过程中，该论文利用了a t l a s 实验的c s c - o i - 0 2 - 0 0 探测器构造几何描述。c s c 表示为c o m p u t i n gs y s t e m 山东大学硕士学位论文 c o m m i s s i o n i n g 专用的探测器版本，0 1 - 0 2 一0 0 为版本号，每个版本都对探测器结 构做出一定修改。c s c - o i - 0 2 - 0 0 是a t l a s 实验中通用的探测器描述，适用a t l a s 软件版本为1 2 0 x 。其中的探测器构造如下图( 3 一1 ) 所示，探测器的上半部认为 增加部分材料，图中所示的是探测器中各种材料的位置和辐射长度变化的百分 比，探测器的下部不存在这些额外的材料，是理想探测器。 经过事例的模拟过程后，得至l j l 0 0 0 个文件，每个文件5 0 个事例： a t h s i m - i d o n l y t t 5 2 0 0 e v g e n x x x x x s x x x c s c l 2 0 一h i t s r o o t ( 其中x x x x x 代表从0 0 0 0 1 至s j 0 0 0 1 0 ，w 1 代表从0 0 0 到0 9 9 ) d i s t o r t e dm a t e r i a i 图3 - 1c s c 旬1 - 0 2 0 0 的内部探测器构造几何描述 事例的数字化( d i g i t i z a t i o n ) 数字化( d i g i t i z a t i o n ) 的过程是将模拟部分产生的模拟信号转化为数字信 号，这相当于对探测器的读出电子学的模拟，得到的时间和电压信号。数字化 后得到的数据和从真实探测器中得到的原始数据结构是一样的。该过程中使用 a t l a s 官方的默认1 2 0 3 1 版本的数字化程序。 得到1 0 0 0 个文件，每个文件5 0 个事例： 山东大学硕士学位论文 a t h d i g i d o n l y t t 5