本论文介绍了在大型强子对撞机(LHC)上利用CMS探测器早期采集的数据测量J/ψ微分产生截面的方法。利用B强子的飞行时间，我们可以区分prompt和non—prompt J/ψ的贡献。因为J/ψ的产生截面很大，所以此物理分析能利用LHC初期运行阶段CMS探测器所采集的数据来完成。早期探测器还没有很好校准的情况下，各种可能的系统误差都进行了估计。　　 在CMS探测器获取积分亮度为3 pb—1的数据时，大约能重建出七万个粲夸克偶素事例，可测量的横动量范围为5到40 GeV/c。测量结果的精确度大约为15％。　　 即将在欧洲核子中心(CERN)建成的大型强子对撞机(LHC)是对撞能量为14TeV的质子—质子对撞机，其对撞能量是Tevatron的七倍，亮度高两个数量级。CMS是建造在LHC上的两个大型通用探测器之一。它将能探测到数量更多能量更高的夸克偶素，从而为检验NRQCD提供一个强有力的判据。我们主要是模拟了质子—质子对撞产生J/ψ的过程，经过探测器的模拟与事例重建，研究了CMS上测量J/ψ微分产生截面的方法，为分析真实实验数据做了准备。　　 论文正文分为英文叙述，共十一章。第一章是论文内容和结构简介。第二章叙述了我们研究J/ψ产生截面的理论动机，简要介绍了粒子物理标准模型，已有的J/ψ产生的理论解释和实验分析。第三章介绍了大型强子对撞机LHC机器上的CMS探测器。事例的产生和分析中用到的实验数据在第四章。第五章介绍了CMS上关于μ子事例的触发选择。第六章详细讨论了J/ψ事例在CMS探测器的重建。第七章描述了J/ψ产生截面的分析方法，并且区分了B强子衰变到J/ψ末态的事例。第八章讨论了早期探测器未被很好理解时可能带来的影响。第九章给出了完整的系统误差的计算方法和估计。第十章给出了预计的测量结果。第十一章对结果进行了讨论和展望。　　 理论介绍　　 强子对撞机上J/ψ的产生可以划分为两个过程。首先是部分子相互作用产生中间态的夸克对，然后这个中间态的夸克对演化为物理的夸克偶素态。第一步中间态夸克对的形成过程可以用微扰论来计算，第而二步从夸克对到夸克偶素的过程。这两个过程被认为是相对独立的过程。在这个假设的基础上，我们可以用因子化的方法把两个过程分开计算。因子化算法为重味夸克偶素的产生提供了一个系统的框架，这种方法是基于非相对论QCD理论，在这里重味夸克被看作是非相对论性的。　　 对于重味夸克偶素产生的微分截面的因子化公式有以下这种形式：等式的左边是微分截面，H指的是重味夸克偶素，X是伴随重味夸克偶素产生时放出的部分子(轻强子态)。等式右边的求和符号下面的n包含了所有的角动量和色量子数。dσ是短程系数，部分子相互作用形成的中间态的夸克对的过程定量为这个短程系数。(OJ/ψn)是非相对论QCD矩阵元，它刻划中间态的夸克对对形成夸克偶素过程的贡献。　　 中间态夸克对和夸克偶素的色和角动量量子数可以是相等，也可以是不相等的(这个中间态的夸克对可以是色单态的，也可以是色八重态的)。如果两者是相等的，因为夸克偶素无色所以中间态的夸克对也是无色的，这个过程就是色单态的过程。如果两者不相等，则中间态的夸克对会释放软胶子然后形成夸克偶素，这样就能保证色和角动量量子数守恒。释放软胶子的效应被包含在NRQCD矩阵元之中。　　 重味夸克偶素的极化也是检验NRQCD因子化方法的重要手段之一。在高横动量区间，胶子碎裂的过程是主要的过程，而这个过程产生的中问态中的色八重态的夸克对是横向极化的。这个八重态的夸克对主要通过两次色电传输转变成夸克偶素。色电传输会遵守自旋对称性。所以，在大横动量区间，夸克偶素是横向极化的。以上描述的物理过程不是唯一的，还需要考虑其他过程对极化度的影响。例如：(1)八重态的夸克对还可以通过色磁传输转变成夸克偶素，色磁传输过程自旋对称性破缺，会对改变极化。(2)硬胶子辐射，会使夸克对非极化，甚至纵向极化。(3)实验获取的数据不只是直接产生的夸克偶素，还有从高激发态衰变下来的成份。　　 J/ψ事例的产生和模拟　　 被广泛应用的产生子程序PYTHIA提供了基于色八重态过程J/ψ的产生过程。我们利用首先重复了CDF能量下J/ψ的产生截面，并与实验结果进行了比较。　　 前面讨论过J/ψ的产生可以用因子化的方法来定量的计算，部分子相互作用产生中间态的夸克对的短程系数可以用微扰论计算，而对应的长程过程NRQCD矩阵元的主要作用是控制中间态的夸克对演化成夸克偶素的各个反应道的截面。具体的矩阵元参数需要分情况来计算，对于色单态矩阵元，可以用势模型来计算出来。对于色八重态的矩阵元，主要是来自于对CDF数据的拟合。Tevatron是质子反质子对撞，质心能量是1.8TeV的对撞机，Tevatron上的CDF探测器的接收度是快度在—0.6到0.6之间。正文中给出了J/ψ的微分产生截面与CDF数据点的比较结果。　　 NRQCD因子化公式保证了NRQCD矩阵元具有普适性。由此在LHC能区选取的NRQCD矩阵元参数与模拟CDF的矩阵元参数一致。LHC是质子质子对撞，中心对撞能为14TeV。LHC上的CMS探测器的接收度是赝快度—2.4到2.4之间。我们把产生的J/ψ事例作为输入，利用CMS的重建软件，进行基于GEANT4的探测器模拟和重建。　　 J/ψ产生截面的计算与拟合　　 J/ψ的单举微分产生截面可以由下面的公式得出：其中∫Ldt是所分析的数据的积分亮度。NfitJ/ψ是通过拟合J/ψ事例质量峰得到的信号的数量。A包含探测器的几何接收度，蒙特卡罗模拟中的触发选择效率和事例重建效率。λcorr trogger和λcorr reco是对探测器触发和重建效率的修正因子。△pT是每个横动量区间的大小，我们把J/ψ从pT=5到40 GeV/c分为14个区间。　　 在每一个横动量区间，首先提取每个μ子对的不变质量的分布，然后通过数据拟合确定J/ψ信号的数量。这里我们用一个双高斯函数描述信号，用线性函数描述本底，对不变质量分布从2.8到3.4 GeV/c2的区间进行拟合。　　 总的探测效率“A”目前只能从模拟数据中计算：其中pJ/ψT和ηJ/ψ分别是J/ψ的横动量和赝快度。A是选择的重建出来的J/ψ事例数与输入数量之间的比率。因为探测器的蒙特卡罗模拟不可能和真实情况完全符合，所以必须在这个基础上加入修正因子。修正因子分为两部分，触发效率和重建效率的修正因子，都可以通过真实数据得到。　　 当J/ψ的单举微分产生截面得出后，我们需要提取其中B强子衰变的J/ψ的贡献。因为B强子有一定的飞行时间(大约为几个ps)，而prompt的J/ψ在对撞点迅速衰变，所以两种过程的飞行距离分布不同。本文通过最大似然法对J/ψ的飞行距离进行拟合，从而得到B强子衰变过程的贡献。图7.6为J/ψ的pT区间[9，10]GeV/c的拟合结果，曲线与数据点符合得很好。另外4种不同的方法被用来检验拟合的结果，并且将它们之间的差别考虑为系统误差。总的来说，这个拟合过程所引入的系统误差相对比较小。　　 系统误差估计　　 正文第九章讨论了几乎所有可能的系统误差。其中大多数和J/ψ的横动量的大小相关，只有积分亮度项和横动量无关，且被估计为10％。在CDF实验关于J/ψ截面测量中，这部分的系统误差为5.9％。　　 其他和横动量相关的系统误差主要分为四大部分，首先是关于J/ψ事例数的误差。μ子动量的刻度会带来大约1％的系统误差。在拟合不变质量过程中选取的函数也会带来1.0％到6.3％的系统误差。其次是关于模拟数据的触发和重建效率的系统误差。J/ψ的极化系数会带来1.8％到7.0％的系统误差。而J/ψ的横动量分布以及模拟数据的统计量会引入较小的误差，约为0.5％。第三部分是修正因子的系统误差，此处统一认为是5％。最后一部分只关于prompt的J/ψ的微分截面，分别是由拟合函数、本底和刻度造成的。这部分的系统误差相对较小，约为0％到3.0％。　　 在数据的积分亮度为3pb—1时，J/ψ微分截面的测量的精度被系统误差限制在15％左右，其中在低横动量区域约为19％，当横动量人于20 GeV/c时约为13％。　　 结论与展望　　 在考虑影响J/ψ产生的几个因素的基础上，模拟了J/ψ的产生过程，预测了在LHC能区的微分截面。对于J/ψ微分产生截面的测量，我们建立了一套完整的模拟分析方法，计算的结果和模拟数据相当吻合。在积分亮度为3 pb-1，利用CMS探测器我们可以获得和CDF实验精度相当的测量。结果的精度主要取决于实验的系统误差，约为15％。当实验数据增加时，J/ψ事例的统计量增加，从而会减少系统误差。另一方面，更多的实验数据意味着可以对探测器进行更好的刻度和校准，从而减少一部分系统误差。　　 当数据的积分亮度达到50或100 pb-1时，J/ψ在大横动量区域的极化参数的测量也可以实现。极化的测量结果可以对J/ψ的产生提供更完整的依据。　　 随着未来实验研究的深入，我们将把现有的方法进一步优化对最新的实验数据进行分析，从而对重味夸克偶素的产生和极化机制有更深入的了解。