利用ATLAS探测器收集的S1/2=13TeV的pp对撞数据在同号双轻子道中寻找希格斯粒子伴随单顶夸克产生的过程

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2012年在ATLAS与CMS实验中希格斯玻色子的发现为人们开启了 一个待发掘的全新领域,那就是希格斯粒子的精确测量,其中测定希格斯粒子与其他费米子以及规范玻色子的耦合系数尤其重要,因为这可以帮助解释基本粒子的质量来源问题。在标准模型中,希格斯粒子与费米子的耦合系数与费米子的质量成正比,这种耦合被称为汤川耦合(Yukawa Coupling)。因此,顶夸克作为质量最大的费米子与希格斯粒子的汤川耦合最强,并且顶夸克被普遍认为它在电弱对称性破缺机制中扮演了重要角色。汤川耦合系数如果偏离了标准模型的预测,这将成为超出标准模型物理存在的强有力证据,因此测量希格斯玻色子和顶夸克之间的耦合强度具有重要的物理意义。希格斯粒子伴随顶夸克对(ttH)是希格斯粒子的主要产生道之一,通过对ttH的测量可以确定汤川耦合系数的大小。然而,由于该过程中有两个顶夸克,耦合系数以平方的形式出现,因此无法确定系数的正负,所以需要通过测量希格斯粒子伴随单顶夸克产生道(tH)来确定系数的正负。tH有三个主要产生道,按截面从大到小依次为:t道(tHq),tHW以及s道,本文中只考虑tHq。与此同时为了方便实验测量,引入了耦合修正因子(coupling modifier)Ki,其中i为与希格斯粒子耦合的粒子类型。这里采用简单模型,即认为希格斯粒子与所有费米子耦合系数均为kt,与所有规范玻色子耦合系数均为KV。不同的耦合系数假设下会导致不同的tH产生截面,本文分析中关注的是标准模型假设(Kt=Kv=1)下的tHq产生。本论文分析中使用了 ATLAS探测器在2015-2018年收集的在大型强子对撞机中(?)=13 TeV对撞能量下产生的积分亮度为138965.16pb-1的pp对撞实验数据。本论文尝试在带同号电荷的双轻子末态中寻找希格斯粒子伴随单顶夸克产生过程,并通过测量其截面来验证标准模型预测的希格斯粒子与顶夸克之间的汤川耦合系数是否符合实验观测结果。本论文的分析主要在一系列预筛选后由至少3个喷注和严格的一个通过70%b标记效率工作点的b喷注定义的pre-M VA信号区中展开。然而pre-MVA信号区的纯净度以及统计显著性依旧很低,因此本文中借助了多变量分析技术中的梯度增强决策树(Gradient Boosted Decision Tree,BDTG)算法来进一步区分信号与本底。与此同时还探索了使用深度神经网络(Deep Neural Network,DNN)算法的可能。最终利用二元BDT构造了被拟合变量——组合BDT,同时运用多元BDT进一步定义了新的信号区,然而由于本论文的分析远未达到整体分析的最终阶段,所以测量时不能使用真实实验数据且本论文中仅考虑统计误差。因此本论文中用阿西莫夫数据(Asimov dataset)来替代真实数据用于拟合测量,这种拟合被称为阿西莫夫拟合,该拟合结果的性能表现用于衡量不同定义信号区中不同组合BDT的性能表现。最终拟合性能最好的为似然比值法中似然比值MLR>0.1定义的信号区中的组合BDT变量CbBDTS core622。然而即使在新定义的信号区内依然未能观测到明显信号。因此本论文最终的的测量结果是基于阿西莫夫数据测得的信号强度μ渐进上限(Asymptotic limit),最终得到的95%置信度下信号强度μ的预期上限(Expected Upper Limit)计算结果为:中位值(Medium):7.30,±1σ置信区间:[5.26,11.57],±2σ置信区间:[3.92,15.62]。
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