Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Детектор ATLAS большого адронного коллайдера: Учебное пособие

Голосов: 1

В данной работе приведено описание подсистем детектора ATLAS, характеристик работы детектора и методов решения главных физических задач современной физики частиц, для которых предназначен этот детектор. Задача пособия предполагает продемонстрировать сложную многоступенчатую структуру соременного эксперимента физики частиц. Эта структура включает создание и поддержание работоспособности самых разных детектирующих подсистем детектора. Электронная версия пособия размещена на сайте Научно-технической библиотеки НИЯФ МГУ (<a href="http://lib.qserty.ru" target="_blank">http://lib.qserty.ru</a>).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    свидетельством справедливости модели MSSM, если она
реализуется в природе, и масштаб масс суперсимметричных
частиц достаточно велик, чтобы сделать их ненаблюдаемыми.
        Стратегия поиска заряженного бозона Хиггса зависит от
предположения о его массе, которая определяет сечение его
рождения и вероятные каналы распада. В области масс ниже
массы t-кварка основным механизмом рождения является распад
t-кварка, t→H+b, а доминирующим каналом распада Н→τν.
Положительных заряд бозона Хиггса имеет условное значение,
отрицательный заряд присутствует на равных правах. В области
больших масс основной вклад в рождение дает процесс слияния
глюона и b-кварка, gb→tH+, а основным каналом распада служит
распад на t и b-кварки, Н+→ tb.
        Поиск заряженного Н-бозона использует несколько
объектов, реконструируемых на высоком уровне, таких как
электроны, мюоны, струи, образованные b-кварком или τ-
лептоном. Эти объекты реконструируются специально
разработанными алгоритмами ATLAS. Конечные состояния,
отбираемые триггером, содержат от двух до четырех b-струй,
легкие струи от адронных распадов W-бозонов, одно или более
нейтрино от W или Н распадов, τ-лептоны, распадающиеся с
образованием адронов или на электрон, или мюон, и нейтрино.




       Поиск легкого заряженного бозона Хиггса.

        В случае, если заряженный бозон Хиггса имеет малую
массу, то вероятность распада t→ bW не близка к единице, как
это предсказывает Стандартная модель. Это означает, что
основной ожидаемый фон от распадов tt-пар Стандартной модели
меньше на вклад распадов заряженного бозона Хиггса. Этот
эффект учитывается в анализе. Рассматривались три канала
распада легкого Н+-бозона:

       •   tt→ bН+bW→ bτ(адр) νbqq
       •   tt→ bН+bW→ bτ(лепт) νbqq
                            181


       •   tt→ bН+bW→ bτ(адр) νb lν

где τ-лептон распадается по адронному каналу τ(адр) или
лептонному τ(лепт), l обозначает электрон или мюон.
         Анализ приводился для светимости 10 33 см-1с-1 для
сценария     В     модели     MSSM.       После     применения
оптимизированных критериев отбора для каждого канала были
получены распределения событий сигнала и фона. На рис. 14.2.13
на верхнем рисунке показаны распределения поперечных масс
Н+ для первого канала и для второго канала на нижнем. Масса
Н+ в первом случае 130 ГэВ, сечение соответствует значению
tanβ = 20, нижняя заштрихованная область гистограммы
соответствует только фону Стандартной модели. На нижних
рисунках приведены распределения поперечных масс W (а) и Н+
бозона (b) для значения его массы 110 ГэВ и величине tanβ = 20.
Темная область и пунктир на рисунках соответствуют фоновым
событиям. Статистическая значимость сигнала оценивается по
совместной аппроксимации двух этих распределений.




                             182


Рис.14.2.13. Распределения реконструированных поперечных
масс Н+ бозона для каналf tt→ bН+bW→ bτ(адр) νbqq (вверху) и
tt→ bН+bW→ bτ(лепт) νbqq(внизу)(См.текст).

        Для третьего канала количество отобранных событий
сигнала мало и оценка эффективности его наблюдения
вычислялась путем многопараметрической аппроксимации, с
учетом распределений по недостающей поперечной энергии,
множественности струй, поперечного импульса τ-лептона. На
рис. 14.2.14 на верхних рисунках показаны контуры областей
параметров модели( масса Н+ и tanβ), где возможно наблюдение
этого канала на уровне 5σ (слева) и области, которые можно
будет исключить на уровне 95% достоверности в случае
отсутствия сигнала (справа), при разных значениях интегральной
светимости. Канал два имеет аналогичные предсказания.
Наибольшую область параметров перекрывает первый канал. Его
ожидаемые результаты приведены на нижних рисунках.




                             183


        Рис.14.2.14. Ожидаемые результаты для канала tt→
bН+bW→ bτ(адр) νb lν (вверху) и канала tt→ bН+bW→ bτ(адр)
νbqq (внизу).См. текст.

       Поиск тяжелого Н+ бозона.

      Для анализа рождения Н+ бозона с массой,
превышающей массу t-кварка, были выбраны два канала распада:
         • gg/ gb → t [b] H+ → bqq[b] τ(адр) ν
         • gg/ gb → t [b] H+→ t [b] tb →bW[b]bWb→
             blν[b]bqqb.

        Символ     [b]    обозначает      дополнительный b,
присутствующий в механизме рождения gg→tb H+, и
отсутствующий в канале рождения gb → t H+. Анализ выполнен
для светимости 10 33см-1с-1 в сценарии В.
        Сигнал в случае распада Н+→τν характеризуется
жесткой струей τ-лептона, большой недостающей поперечной
                            184


энергий из-за присутствия нейтрино, одной или двух b-струй,
двух легких струй, W и t, которые должны быть
реконструированы в событии. Основной фон составляют события
с рождением tt –пар кварков, в особенности когда один из них
распадается в образованием τ-струи и нейтрино, t→ b τ(адр) ν, а
другой по адронному каналу, t→ bqq. Другими источниками
фона служат одиночное рождение t-кварка, W+струи и
многоструйные КХД события. Реконструкция W и t позволяет
подавить эти фоны. Распределения событий сигнала и фона по
поперечной массе Н+ после всех отборов приведены на
рис.14.2.15 для трех значений массы Н+ 170, 250 и 400 ГэВ.
Сечения сигнала и фона соответствуют значению tanβ = 35. Более
темные (или голубые) области соответствуют событиям сигнала.




        Рис.14.2.15. Распределения поперечных масс Н+ для
канала gg/ gb → t [b] H+ → bqq[b] τ(адр) ν для трех значений
массы Н+ 170, 250 и 400 ГэВ. Фон соответствует значению tanβ =
35.

         Сечения выделенных событий составляют 14,7 фб, 2,9 фб
и 0,58 фб для трех значений массы Н+, соответственно. Для
массы 600 ГэВ выделяемое сечение составляет 0,1фб, также для
значения tanβ = 35. Соответствующие значения параметров для
случая наблюдения сигнала и его исключения показаны на рис.
14.2.16.




                             185


Рис.14.2.16. Ожидаемые результаты для открытия (слева) и
контуры исключения для канала gg/ gb → t [b] H+ → bqq[b]
τ(адр) ν.

        Поиск сигнала в канале gg/ gb → t [b] H+→ t [b] tb
→bW[b]bWb→ blν[b]bqqb требует регистрации трех (или
четырех) струй от b-кварков, двух струй от легких кварков
одного лептоны с большим поперечным импульсом и нейтрино.
Кроме того, при реконструкции дают вклад дополнительные
струи сопутствующих событий, что приводит к увеличению
множественности струй.        Анализ включает ограничения
параметров отбора и многопараметрический анализ максимума
правдоподобия. Реконструированные события сигнала и фона
показаны на рис.14.2.17 для масс Н+ 200, 250, 400 и 600 ГэВ.
Значения    параметра    tanβ   выбиралось    таким,   чтобы
статистическая значимость сигнала в распределениях составляла
5. Распределения для суммы сигнала и фона показано точками,
темные области соответствуют фоновым событиям.




                            186


Рис.14.2.17. Реконструированные события сигнала и фона для
масс Н+ 200, 250, 400 и 600 ГэВ в канале gg/ gb → t [b] H+→ t [b]
tb →bW[b]bWb→ blν[b]bqqb. Пояснения см. текст.

В качестве примера ниже приведена таблица 10 результатов
выделения сигнала и фона этого процесса. В ней показаны
сечения наблюдаемого сигнала Н+ в фб и эффективности
выделения для разных значений масс Н+. Приведены также
сечения    фоновых     событий    разных  процессов    с
соответствующими эффективностями регистрации. Результаты
соответствуют значению tanβ = 35.




                              187


        Как и в других расчетах, для этих результатов большое
значение имеет оценка систематических погрешностей
наблюдения сигнала.
        В итоге, анализ для пяти значений массы заряженного
бозона Хиггса, выполненный в ATLAS, показал, что уже при
интегральной светимости 1 фб-1 можно будет улучшить контуры
областей, исключающих рождение Н+. Более значимые
результаты требуют реконструкции объектов высокого уровня и,
соответственно, большей светимости.
        Объединенные данные для трех каналов распада легкого
Н+ могут обеспечить наблюдение Н+ при 10 фб-1, что перекроет
все значения параметра tanβ от 20 до 4 во всем диапазоне масс Н+
до примерно 150 ГэВ. Для промежуточных значений tanβ ≈ 7
рождение Н+ может быть исключено. Использование большей
статистики моделированных событий может улучшить
результаты и для промежуточных значений tanβ.
        Наблюдение тяжелого Н+ более вероятно в τν канале
распада, где, несмотря на меньшую вероятность такого распада,
возможно более эффективное подавление фона.
Потенциал открытия в сценарии В MSSM зависит от значения
массы Н+, и возможен в области параметров от массы 200 Гэв и
tanβ=28 до массы 350 ГэВ и tanβ=58 при интегральной
светимости 30 фб-1.
        Разработаны для применения процедура, позволяющие
комбинаторно учесть разные каналы распадов бозона Хиггса для
суммарной оценки его сечения или областей исключения его
образования. Эти процедуры позволяют также объединять
результаты разных экспериментов с учетом систематических
погрешностей и вклада фонов.




                             188


               15 Исследования суперсимметрии
        Теория суперсимметрии (SUSY) представляет собой
наиболее привлекательный вариант физики вне Стандартной
модели. Основной задачей такой теории является предотвратить
квадратичную расходимость радиационных поправок к массе
бозона Хиггса в условиях, когда Стандартная модель справедлива
только для большого масштаба Λ. Предлагаемое решение
постулирует инвариантность теории при преобразованиях
симметрии, которые переводят фермионы в бозоны и наоборот.
Основное предсказание SUSY состоит в том, что для каждой
частицы Стандартной модели существует суперпартнер, спин
которого отличается на ½. В ненарушенной SUSY партнеры
имеют одинаковые квантовые числа и массы, соответствующие
частицам Стандартной модели. Поскольку такие партнеры не
найдены,    суперсимметрия      должна    быть    нарушенной.
Общепринятый феноменологический подход к исследованию
суперсимметрии состоит в предположении о минимальном
количестве новых частиц и введению в лагранжиан нарушенной
суперсимметрии членов, не привносящих квадратичную
расходимость в теорию. Такой моделью является MSSM. Она
характеризуется большим числом параметров (~100). Для того,
чтобы обеспечить сохранение барионного и лептонного
квантовых чисел, вводится новое мультипликативное квантовое
число R, R-четность, равное 1 для частиц и -1 для SUSY-
партнеров. Существуют модели с нарушением R-четности, но в
приведенных здесь исследованиях использованы модели,
сохраняющие R-четность.
        Следствием сохранения R-четности является тот факт,
что SUSY частицы рождаются парами и что каждая распадается
до состояния самой легкой SUSY-частицы (LSP), которая
стабильна. Космологические данные требуют предположить, что
LSP-частицы должны взаимодействовать слабо и не
регистрироваться детектором ATLAS. Это означает, что
основной особенностью событий SUSY должна быть большая
величина недостающей поперечной энергии в детекторе Етнед.
Дополнительные критерии обеспечивают чувствительность к
широкому классу моделей. Целью моделирования, выполненного
                             189


в ATLAS, является возможность показать, что уже при
интегральной светимости 1 фб-1 при 14 ТэВ эксперимент
позволит провести быструю проверку большой группы SUSY
моделей и разработать общую стратегию будущих исследований.
        Поскольку невозможно охватить всё пространство
параметров MSSM с размерностью 100, делаются предположения
о природе нарушения суперсимметрии. Это приводит к
формулированию моделей с малым числом параметров на
масштабе нарушения суперсимметрии. Далее исследуются две
таких модели: mSUGRA, где нарушение суперсимметрии
осуществляется гравитационным взаимодействием, и GMSB, где
оно происходит за счет взаимодействия калибровочных полей.
Эти две модели предсказывают различные топологии событий из-
за разной природы LSP-частицы, которыми служат самое легкое
нейтралино в mSUGRA и гравитино в GMSB. Для каждой модели
были определены точки в пространстве параметров, для которых
было проведено моделирование событий и выполнен их анализ.
        Анализ выполнен совместно многими группами, как
экспериментаторов, так и теоретиков, и использует общие
определения моделей и физических объектов, наблюдаемых в
ATLAS. Далее приведены результаты анализа в mSUGRA.
        Точки в пространстве параметров mSUGRA были
выбраны в виде:




                            190



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика