在ATLAS实验s1/2=13TeV的数据中利用H→ZZ→llvv过程寻找重希格斯粒子

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粒子物理标准模型的最后一块拼图希格斯玻色子最终在2012年被大型强子对撞机上的ATLAS和CMS实验分别发现,其质量被确定在125 GeV附近。大量的对希格斯玻色子性质的研究结果表明发现的希格斯玻色子的各项性质符合标准模型的理论预期。然而标准模型也并非完美。有一些现象标准模型并未给出合理的解释,因此许多对标准模型进行扩展的理论被提了出来。这些理论预言了具有大质量并且与标准模型希格斯玻色子类型相同的新粒子的存在。寻找这些重希格斯玻色子是非常必要的,而且是一项用来检测超出标准模型的新物理是否存在的重要手段。ATLAS实验在2011和2012年的运行非常成功并且分别记录了4.7 fb-1在(?)= 7 TeV和20.3 fb-1在(?)=8 TeV的对撞数据。经过两年的维护和升级,ATLAS实验在2015年开始了重新取数,并且对撞能量从8 TeV升级到13 TeV。2015年的取数也非常成功,最终记录了3.2 fb-1的有效数据。在2016年ATLAS继续了(?)= 13 TeV的取数,并且预计最终能够记录到35 fb-1的对撞数据。更高的对撞能量对于寻找新物理非常有帮助,特别是寻找具有大质量的粒子。本文的一项重要工作就是在ATLAS实验2015和2016年收集到的共13.3 fb-1质心系能量13 TeV的数据中,利用H→ZZ→llvv反应道来寻找重希格斯玻色子。因为中微子不会和探测器相互作用,所以它携带的能量会贡献到横向丢失动量(ETmiss)中,导致在这个反应道中ETmiss是一项非常重要的物理量。其次许多超出标准模型的理论也会预言一些不会与探测器相互作用的新粒子,例如超中性子,进而导致事例中更大的ETmiss。本文开展了利用ATLAS内部径迹探测器探测的带电粒子径迹和其他的探测信号来重建ETmiss的研究。测量的带电粒子径迹有更好的位置分辨率,在重建中分辨带电粒子的来源是主对撞顶点或者是堆积对撞顶点可以有效的压低堆积顶点产生的粒子的贡献。ATLAS实验有两种直接利用径迹的ETmiss测量方法,一种是基于径迹的ETmiss或者叫pTmiss,另一种是仅对软过程部分基于径迹的ETmiss(TST ETmiss)。pTmiss在不同的堆积情况下表现的最为稳定,但是由于在计算过程中没有包含中性粒子的贡献,它对横向丢失动量的测量是有偏差的。另一方面,由于TST ETmiss综合利用了量能器沉积能量和带电径迹的信息,对比基于量能器的横向丢失动量测量,TST ETmiss分辨率在不同堆积情况下表现更稳定。TST ETmiss被广泛的应用于ATLAS物理分析中。本论文利用ATLAS实验采集的质心系能量13 TeV的数据,通过H→ZZ→llvv反应道来寻找重希格斯玻色子。因为llvv反应道比强子道有更干净的末态并且比4轻子道有更高的产生截面,所以在寻找中有更多的优势。分析中的主要本底是双玻色子产生过程(ZZ、WZ、WW)、玻色子单产生过程(Z、W)以及顶夸克单产生和对产生过程。分析中综合利用了计算机模拟和数据驱动的方法来估计本底在信号区间内的贡献。由ETmiss和两个最终末态轻子重建的希格斯玻色子横向质量(mT)是分析中信号和本地的区分变量,并且mT在信号区间的分布被用在了分析的统计处理中。分析的统计处理利用了最大似然估计的方法来计算数据中信号的事例数。分析扫描了希格斯玻色子质量从300到1000 GeV的区间,最终的结果表明在扫描的区间内没有找到重希格斯玻色子存在的证据。数据和标准模型的非信号过程的理论预期符合的比较好。同时我们给出了重希格斯玻色子在pp→H→ZZ过程95%置信度下的截面上限,结果表明在重希格斯玻色子质量等于300 GeV情况下,其截面小于1343 fb,在质量等于1000 GeV情况下,其截面小于49 fb。而且,我们利用当前的截面上限对两个超出标准模型的基准理论进行了检验。
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