PowerPoint Presentation - 山东大学高能物理研究室

1 Top夸克 LHC 祝成光山东大学高能物理组 t夸克概述t夸克研究内容研究计划计算能力 一 t夸克概述 4 1 1t夸克 t夸克迄今为止发现的质量最大的基本粒子 质量延伸到电弱尺度 200GeV 的唯一粒子 是研究电弱对称破缺的一个重要窗口 1994年 t夸克首先在Tevatron上发现 但是由于产生截面很小 仅仅观察到十多个t夸克事例 测量统计误差很大 LHC低亮度工作 一年就有8百万t夸克对产生 是名副其实的t夸克工厂 5 标准模型是一个 完美 理论 除了SM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 标准模型能够确切地描述t夸克的性质 但是实验才是检验一切理论的唯一标准 t夸克的质量出现在我们所认知的高能的最前端 对它的研究必然最敏感的触及新物理 6 1 2SM中 夸克对的产生和衰变 在LHC上 夸克对通过胶子或夸克反应产生 833pb LHC低亮度工作一年 在标准模型中 几乎完全衰变成Wb 99 9 7 8 9 1 3SM中 单t夸克的产生和衰变 在LHC上 单夸克可以通过如下三种反应获得 244pb 60pb 10pb LHC低亮度工作一年 二 t夸克的研究内容 11 t夸克质量的测量 在标准模型中 t夸克质量可以在理论上约束黑格斯粒子的质量 t夸克的产生和衰变的研究将有助于新物理的发现 对重粒子 t夸克共振态 的寻找对t夸克对自旋关联的研究 可以对标准模型进行验证 通过对稀有衰变产生截面的测量岩寻找新物理存在的信息另外 t夸克衰变产物是TeV量级其他衰变道研究的主要背景 因此对于t夸克产生和衰变的理解都是很重要的 12 2 1t夸克质量的测量 SM中 辐射修正将t夸克质量和W质量与SM黑格斯粒子的质量联系在一起 如果W的质量测量精度可以达到 20MeV t夸克的质量需要达到 2GeV 13 2 1 1产生率最大的all jet道 粒子喷注存在很大的背景 t夸克对的jets难以从其背景中分拣出来 另外 触发也存在一定的难度重建 使用W质量约束两个jet 使用t夸克和反夸克质量相等约束t夸克对重建 将S B升为1 57 进一步的判选方法研究 提高S B 14 2 1 2轻子 强子道 一个带电轻子和中微子的存在可以有效的提高S B主要的背景来源于多jet W jet Z jet的产生和衰变 而WW WZ ZZ引起的背景在轻子判选后已经被压缩到很小 15 一个带电轻子和中微子的存在可以有效的提高S B主要的背景来源于多jet W jet Z jet的产生和衰变 而WW WZ ZZ引起的背景在轻子判选后已经被压缩到很小 16 重建过程 根据能损重建中微子的四动量后 和轻子一起作为事例的判选条件 使用W质量约束jets重建 然后根据动力学拟合使用W和另外的bjet构建t夸克 拟合jjb不变质量得到统计误差小于 0 070GeV 而且拟合峰值和模拟使用的t夸克质量很好的符合 17 18 由于t夸克对在LHC的巨大的产生率 判选条件可以更加严格 例如 只判选大动量的t夸克对 这时的两个t夸克衰变在探测器中很容易分离开来 Wb误匹配率有效减少 统计误差仍可控制在 0 25GeV 19 系统误差 20 大动量的t夸克的衰变产物局限在很小的区域之内 在量能器中 末态的粒子喷注中能量的逃逸 两个粒子喷注的重叠都会使t质量的重建精度下降 在上述判选基础之上 使用jjb重建 t夸克动量方向确定出来 然后 以t夸克动量方向为中心 将较大范围内的量能器能量累计起来 计算t夸克的质量 21 22 2 1 3双轻子衰变道 双轻子衰变提供两个高能轻子 两个中微子 能损 两个bjets 作为t夸克质量测量的有益补充 23 由于中微子的能损 重建t夸克变得异常复杂 因此可以讨论通过多个动力学拟合来确定最佳能量 由于t夸克衰变的动力学分布和t夸克质量相关 因此可以用来反映t夸克质量 但是精度决定于蒙特卡罗模拟的可信度 24 2 2t夸克共振态和自旋关联 SM中 t夸克产生截面可以精确地计算 主要是误差来源于LHC积分亮度的测量 而可能存在的衰变成t夸克对的重粒子将在物理上影响测得的t夸克对产生截面 强作用产生的t夸克对是非极化的 然而 t夸克对的自旋是相关联的 t系统的大CP破坏会影响这种自旋关联 因而对t夸克对自旋关联的测量有重要的意义 25 2 2 1寻找t夸克对共振态 scalarorpseudoscalarHiggsresonances interferencecanoccurbetweengg H A ttandgg tt ThepossibleexistenceofheavyresonancesdecayingtottBecauseofthelargevarietyofmodelsandtheirparameters astudywasmadeofthesensitivitytoa generic narrowresonancedecayingtott 26 使用轻子 jet衰变道 重建W l 和jj 重建t夸克 Wb 拟合所接受的事例 误差校正 如图 1600GeV粒子衰变成tt共振态的模拟 27 2 2 2t夸克对的自旋耦合 根据t夸克的巨大质量 SM预言t夸克的寿命极短 1 5GeV 在强子化以前就已经衰变 结果是 t夸克的自旋被带到了衰变产物中 强作用产生的t夸克对是非极化的 横向极化效应也很小 然而 t夸克对的自旋相关联的 在LHC上 t夸克对倾向于具有相同的helicity Left Left LL 或 Right Right RR 70 80 t系统的大CP破坏也会影响自旋关联 28 双轻子衰变道有利于自旋关联的测量 Aal1al2 A 2P 1 P是相同helicity的t夸克对产生比率 al1 1al2 1为粒子衰变产物常数 29 2 3t夸克的稀有衰变 SM中 t夸克衰变截面可以精确地计算 SM以外的物理的存在 将影响所测量的t夸克衰变的分子比 例如 可能存在t H b的大分支比 因此根据t Wb 1的假定所测量的t夸克对产生截面则会减小 30 2 3 1Vtb测量 标准模型中 通过弱衰变 t夸克几乎全部衰变成b 在LHC上测量t夸克衰变到b的分支比 则可以对Vtb约束 测量结果和理论预言的偏差则意味着SM以外物理的存在 31 在t夸克对衰变中 通过触发其中一个夸克的衰变 来确认t夸克对的产生 然后测量另一个夸克衰变产物中的b粒子喷注产生的概率 由LHC上t夸克的巨大产生率 该测量的统计误差可高达0 2 系统误差是该测量的主要误差来源 例如 b tag效率 32 2 3 2BR t Wx 测量 标准模型中 衰变为W 100 则t夸克衰变的轻子末态 e 的分子比约为2 9 在双轻子衰变中 以其中一个W的轻子末态触发t夸克对的产生 来测量另一个t夸克衰变为轻子的百分比 Rll l 33 测量结果和理论预言的偏离可能意味着新物理的出现 例如 t H b 而H 或cs bar 则消减了t夸克末态轻子的出现 通过对 的测量 这样一个衰变道的存在则可以用来寻找黑格斯粒子 LHC上 该测量的统计误差可达0 5 其系统误差的分析需要进一步的研究 34 2 3 3t夸克汤川耦合 标准模型中基本粒子的质量是通过和黑格斯粒子的耦合产生的 基本粒子和黑格斯粒子的耦合常数在标准模型中是自由参数 通过测量t夸克质量得到t夸克和黑格斯粒子的耦合常数接近于1 因此直接测量汤川耦合常数可以提供相关的质量来源信息 35 通过t 黑格斯顶点来测量汤川耦合常数 这也是一个寻找SM或MSSM黑格斯粒子的重要衰变道 黑格斯粒子的质量越小 该衰变的截面才越大 此时黑格斯主要通过b夸克对衰变 重建中 使用t夸克对的轻子 jets衰变 需要末态具有1个轻子 6jets 其中4bjets 36 2 4 4稀有衰变 SM中 t夸克的FCNC衰变很小 因此在LHC上观测到的大截面的FCNC衰变 将意味着新物理的出现 37 t Zq 通过tt Wb Zq Z ll和W l 来重建该事例 t q重建 jet在t夸克质量附近的不变质量峰 t gq具有很重的QCD背景 38 衰变t WbZ和t WbH 该衰变的能量阈值在t夸克质量的附近 因此测量该衰变能够对t夸克质量约束 由于t夸克质量的 变化 该衰变的截面变化三倍左右 因此对该衰变的重建能够约束t夸克的质量 39 3 单t夸克的产生 虽然t夸克对的研究概括了t夸克性质的很多方面 但是Wbt顶点性质和耦合强度的研究在单夸克产生道中具有独特的优势Wg Wt W 40 3 1单t夸克产生截面 SM中 三种产生的截面能够分别精确计算 实验测量值的偏离意味着新物理的存在 可能存在的W 新的W s道衰变截面扩大而Wg衰变道抑制 因此测量 W Wg 可以观察到相应的增大 不规则的FCNC耦合 象gu t的产生 会改变Wg过程 但不会影响另外两种产生过程 41 三中单夸克产生道 都面临着巨大的背景影响 判选面临很大的挑战 为消除巨大的多粒子喷注的背景 单夸克事例可以从其轻子衰变道中重建 这样背景将来自于末态中确实含有W的事例 例如 t夸克对 Wjj 包含Wbb 42 3 2t夸克极化和衰变产物W极化 Wg道 t夸克法人寿命极短 在强子化之前就已经衰变 因此t夸克的自旋信息被带到了t夸克的衰变产物中去 在b夸克质量为0的极限条件下 t夸克接近100 极化 SM中 70 的t夸克衰变产物W是径向极化的 当存在 例如 重的带电黑格斯粒子衰变成t夸克时 测量的极化值会和SM预言不同 43 W极化通过对其衰变产物的角分布的测量而测量 例如 测量W衰变轻子在W静止坐标系中和W的夹角 W方向为在t夸克静止系中的方向 对t夸克极化的测量在当前LHC中 估计需要数目巨大的单夸克事例 LHC尚不能提供 44 三 研究计划 45 从以上t夸克的产生和衰变可以看出 t夸克的强子末态的背景十分复杂 事例判选方法很复杂 各个衰变道虽然在标准模型中具有清晰的特征 但是新物理 特别是未预言的新物理 的出现可能会扰乱多个产生道或衰变道 而使测量结果变得相干起来 LHC上的统计误差相比较而言较小 测量误差主要来源于系统误差 若要在MC模拟中取得和ATLAS相当的统计数据量 对计算能力的要求较为严格 46 进行t夸克的MC模拟需要 理论知识准备 所研究衰变的理论分析 背景分析 t夸克产生衰变道的综合分析 实验测量的误差分析 MC模拟 ATLAS软件环境 ATLAS数据模拟程序 建立数据分析软件 进行模拟分析 47 3 1理论知识准备 标准模型的预言是进行ATLAS实验的基础 对SM扩充的新模型是对新实验现象解释的基础 因此对当前粒子理论发展的认识是我们进行实验研究的基础 理论是实验的眼睛 但是也有眼睛没有看到的地方 对可能出现的崭新物理现象的心里准备同样建立在对现有理论的统一认识上 48 3 1 1对所研究的衰变道的理论分析 我们将研究重点放在t夸克对的自旋关联上 这得益于理论组司宗国教授在该研究上取得的显著进步 因此可以大大缓解理论分析不足所造成的障碍 49 3 1 2背景分析 许多衰变 例如b夸克对 单t夸克产生 Wjj事例等对t夸克衰变形成巨大的背景 若要将t夸克对衰变从背景中分离出来 除了对t夸克对的研究外 对各背景衰变的特征的研究也是极其重要的 50 3 1 3t夸克产生衰变道的综合分析 t夸克对衰变对SM以外的许多新物理都是很敏感的 背景辐射也是 因此造成实验和理论预言的偏差可能是多方面的原因引起的 测量结果在若干衰变道之间出现相干性 因此对于t夸克各衰变道 以及背景衰变 的综合研究是必要的 51 3 1 4实验测量的误差分析 LHC提供了良好的统计性 其它系统误差对测量结果造成重要的影响 系统误差的分析和量化对实验起到几乎决定性的作用 这一步骤可以融合到前两项中 进行统一的分析 52 3 2MC模拟 53 3 2 1ATLAS软件环境 将CERN的ATLAS软件环境移植到我们的计算系统中这一步虽然仅仅是移植 但面临较多的技术难题 因此借鉴别人的成功经验是至关重要的 54 3 2 2ATLAS数据模拟程序 移植ATLAS的模拟和数据分析软件 对于具体的研究内容 模拟和分析软件需要研究者投入最大的精力和时间进行融合 并将新思路加入到软件中 鉴于LHC的大统计量 和实验相比较 我们应产生相当数量的模拟事例 例如1M 包括相应的背景 该计算量是极其巨大的 55 3 2 3建立数据分析软件 进行模拟分析 数据分析进行事例判选方法的优化 确保对新物理的敏感度 对模拟过程也提出了具体要求 56 该稿件是个人对t夸克研究的整体理解 会议报告将从选取相应的重点并具体化 请多多指正 57 OVER 58 Howtoseparatesignalfrombackground aTopeventshaveverydistinctivesignaturesDecayproducts leptons neutrinos jets havelargePTHeavyflavorcontent always2bjetsinthefinalstate Tools needmultipurposed