格点QCD计算预言在极端高温或高密条件下会发生相变,形成解禁闭的夸克-胶子等离子体(quark-gluon plasma,简称QGP),即原来被束缚在强子体系内部的夸克和胶子退禁闭成自由的QGP物质。在相对论重离子碰撞实验中,这种相变的发生是由于巨大的粒子动能被沉积在核-核(A-A)碰撞的有限区域内,并转化为热能,形成极端高温高密环境,迫使强子体系解除色禁闭,形成QGP新物质形态,经过膨胀和冷却后,最终转化为末态粒子。对于QGP性质的研究,能帮助我们理解粒子的强相互作用机制和宇宙早期的演变。从2009年到2016年,位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)先后对不同碰撞类别和不同质心能量的碰撞数据进行采集,包括质心能量为√s = 7 TeV、8 TeV、13 TeV的质子-质子碰撞,质心能量为√sNN = 5.02 TeV的质子-铅核碰撞以及质心能量为√sNN= 2.76 TeV和5.02 TeV的铅核-铅核碰撞。这标志着高能物理实验领域翻开了新的篇章。该大型强子对撞机的碰撞质心能量是美国布鲁克海文国家实验室建造的RHIC对撞机的25倍,从而提供了更加细致研究QGP性质的机会。大型重离子碰撞实验装置ALICE是LHC 一系列实验装置中专门设计用于研究QGP性质的探测器。它由18个子探测器构成,主要分为两部分:中心圆筒区探测器和向前区μ子探测器。利用向前区μ子探测器,我们可以测量高横动量(pT)的单μ子和双μ子来研究重夸克物理和参与电弱相互作用的玻色子。LHC能区的重离子碰撞能提供丰富的初态部分子硬散射从而导致末态硬探针的大量产生,比如重夸克偶素、高pT喷注、矢量玻色子(W,Z)。由于W玻色子的质量比较大,它产生于QGP物质形成之前并在进入QGP前或在QGP中衰变,所以它的衰变产物可能会受到QGP的影响。当我们只考虑W玻色子的轻子衰变道时,由于轻子不参与强相互作用,故它们不会受到QGP的影响,所以这类轻子被用作亮度测量和估算探测器性能以及其它QGP探针测量的标度。在质子-质子碰撞中,它们很敏感于部分子分布函数(PDFs),故W玻色子也被用来测量部分子分布函数。而在质子-核子以及核子-核子碰撞中,部分子分布函数受核遮蔽和胶子饱和等核效应的影响,W玻色子的测量可以帮助我们审查这些核效应以及验证二元核子碰撞次数。另一个重要观测量是W玻色子产额的带电不对称性,它可以直观地反应核子中u夸克和d夸克的概率密度。特别要指出的是在质子-核子碰撞中,位于向前快度区的μ子谱仪使得相关测量达到极小的Bjorken变量:向前区～10-6和向后区～10-3。所以研究W玻色子对于我们了解核子中部分子的分布、碰撞中QGP的产生和校准探测器都有很大的意义。ALICE-μ子探测器位于ALICE实验向前区,在质子-质子碰撞中的快度为-4.0<ycms<-2.5,而在质子-铅核碰撞中由于碰撞系统不对称性,其快度在质心系中有偏移,变成2.03<ycms<3.53(质子束向μ子探测器方向移动)和-4.46<ycms<-2.96(质子束向远离μ子探测器方向移动)。在质子-铅核碰撞实验中通过改变束流的方向来分别测量质子-铅核碰撞中向前区和向后区的数据。ALICE的μ子探测器的快度是对测量中心区物理的ATLAS和CMS探测器快度的补充。本文以研究LHC能区ALICE实验中W玻色子产生和探索核碰撞初态效应为目标,系统分析了质心能量为8 TeV的质子-质子碰撞实验数据以及5.02 TeV质子-铅核实验数据,首次在ALICE实验中通过观测W玻色子衰变μ子横动量谱得到W玻色子产额。本工作首先通过蒙特卡洛模拟研究了 W玻色子信号产生特征:在μ子横动量为40 GeV/c处出现极大值。实验上分析ALICE前向区μ子数据,给出其横动量的原始数据分布,通过拟合数据提取W玻色子的产额,蒙特卡洛方法研究μ子的背景来源。在低横动量区域(8 GeV/c<pT<40GeV/c),μ子主要来源于粲夸克和底夸克的衰变,利用FONLL模型描述;在高横动量区域(pT>50 GeV/c),μ子主要源于Z0/γ*玻色子的衰变,利用次领头阶模型POWHEG在蒙特卡洛模拟中得到横动量分布的形状。用POWHEG模型模拟给出W玻色子信号。将信号和背景的蒙特卡洛模拟横动量分布归一化,然后对实验数据进行拟合,得到W玻色子在pT>10 GeV/c区域的产额。通过模拟研究W玻色子衰变到μ子的重建效率,将结果归一化到最小无偏事件,并对系统误差进行估算,最终得到pT>11GeV/c、-4.0<ylab<-2.5区域的W玻色子的散射截面,并计算W玻色子产额的带电不对称性。另一个观测量Nw/<Ncoll>(W玻色子产额除以平均二元核子碰撞次数)是利用ALICE实验中VZERO、SPD、ZN子探测器得到。首先对碰撞中心度分别进行估算,得到不同中心度碰撞的<Ncoll>。然后在不同的中心度对W玻色子信号进行拟合提取,得到不同中心度的W玻色子的产额。最后计算得到单次二元核子碰撞中的W产额在不同中心度的分布。本文对系统误差的估算进行了细致的研究与阐述,主要包括拟合数据时引入的系统误差,探测器校准的系统误差以及探测器分辨率导致的测量误差。在估算拟合数据导致的系统误差时,每次改变影响系统误差的一种因素(如拟合pT区间,FONLL误差,Z0/γ*玻色子占比等),对实验数据进行拟合,然后将所有得到的结果进行合并,计算均方根(RMS)。通过对带电不对称性的研究,我们发现对向前区μ子谱仪的校准需要考虑“全局位移”(global shift)效应,该效应依赖于磁场的大小和方向,是导致W玻色子测量系统误差的最大来源。另一个重要的系统误差来源是μ子径迹探测器对于高横动量粒子的分辨率。由于W玻色子衰变到μ子的动量比较大,导致在径迹探测器上能量沉积的面积也较大,而且偏转角度较小,这导致了高横动量区域的测量存在误差。我们通过用Crystal Ball函数拟合重建的径迹与能量沉积之间的偏差来估算这一部分的系统误差。本研究结果表明,精确的微扰QCD理论计算得到的W玻色子的产额与ALICE实验测量结果相符。在质子-铅核碰撞中,考虑冷核效应后,理论计算与实验测量符合得更好。在不同的碰撞中心度中,测量到的W玻色子的产额与平均二元碰撞次数成正比,可以验证ALICE实验对于碰撞中心度的测量没有偏差。该研究为ALICE实验组探测器提供校准依据,并为LHC上更加精细测量W玻色子产生,研究核子中部分子分布函数以及二元核子碰撞奠定重要基础。本论文主要分为四个部分:(1)介绍高能物理相关背景知识:第一章主要介绍标准模型和夸克胶子等离子态,第二章重点阐述电弱理论和本论文的研究动机及物理意义;(2)介绍ALICE探测器,包括硬件、软件、在线取数和离线分析:第三章展示了 ALICE探测器的设计原理和各个子探测器的用途,第四章介绍在线取数、离线分析框架及数据筛选;(3)W玻色子实验分析的核心内容:第五章描绘如何在质子-铅核碰撞数据中提取W玻色子的信号,第六章利用质子-质子碰撞数据对第五章所用的方法进行验证;(4)第七章:总结与展望。