大型强子对撞机上希格斯粒子与底夸克汤川耦合的模拟研究

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2012年在大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)上发现希格斯粒子之后,标准模型所预测的粒子在实验中全部找到了。标准模型预测与实验结果符合得很好,但无法解释暗物质暗能量,所以人们希望找到超出标准模型的新物理来解释这些现象。标准模型包含一些实验可测量的参数,如果实验测量值与标准模型符合,就意味着验证了标准模型,如果与标准模型不一致,就意味可能包含新物理。在标准模型中,希格斯粒子具有特殊的性质,它是其它粒子获得质.量的原因。费米子和玻色子都通过希格斯机制获取质量,所以研究希格斯粒子的具体物理性质是LHC实验的一个重要课题,希格斯粒子与重味夸克(顶夸克和底夸克)的汤川耦合便是其中之一。相比于希格斯粒子与顶夸克的汤川耦合,希格斯与底夸克的汤川耦合有两个优点:一是希格斯粒子可以直接衰变为正反底夸克,而通过圈图衰变为顶夸克,二是在MSSM模型中,当tanβ很大时,希格斯粒子与底夸克的汤川耦合会明显增强。目前LHC实验是通过希格斯粒子伴随矢量玻色子产生,然后衰变成两个底夸克过程(pp→VH,H→bb)测量希格斯底夸克汤川耦合强度的,底夸克会碎裂后经强子化变成强子喷注,所以实验测到的底夸克信号为强子喷注,而LHC上含有两个强子喷注末态的过程很多,相比于轻子末态,本底过程比较多,所以我们选择产生过程包含希格斯底夸克耦合,希格斯粒子衰变为四轻子末态(pp→Hb,H→4l)的过程进行研究。四味夸克部分子分布函数(parton distribution function,PDF)方案就是质子的PDF中不包含底夸克,底夸克是海夸克;五味夸克PDF方案质子的PDF中包含底夸克,底夸克是价夸克。在计算pp→VH过程的散射截面时,用四味夸克方案和五味夸克方案得到的结果却差一个数量级,而对同一物理过程,用不同的PDF方案得到的散射截面应该是一致的,所以LHC的Higgs cross section workgroup做了一种综合两种PDF优点的方案,即Santander Matching方案,在计算VH过程时被证明是与实验符合较好。如果按四味夸克PDF方案,在树图水平中就没gb→Hb过程;如果按五味夸克PDF方案,就要处理胶子碎裂成正反底夸克对过程带来的共线发散,把这个发散吸收进不同的系数里,就对应4FPDFs和5FPDFs。经过Santander Matching后的PDF方案已经写成代码且应用在Madgraph@NLO中了。本文第二章介绍这个PDF方案适,说明它合我们研究的过程。模拟过程可分为三个部分。首先,本文用Madgraph@NLO各产生了 105个信号、可约本底和不可约本底事例,利用经过Delphes模拟之后的轻子运动学信息,分析了轻子末态能被探测到的概率。希格斯粒子衰变成一个在壳Z玻色子和一个不在壳Z玻色子,每个Z玻色子可以衰变成正负电子对或者正反缪子对,这样两个Z玻色子可以衰变成四个电子、四个缪子、两个电子两个缪子三种组合方式,用Madgraph@NLO计算了出这三种不同末态组合的散射截面后,就可以得到每种轻子的数目。探测器对每种轻子的探测效率是独立的,所以根据探测器对每种轻子的探测效率,就可以计算出对一个完整的事例的探测效率。这样就可以从质子碰撞产生轻子的动量判断其能被探测器探测到的可能性,给真实实验提供选取筛选条件的根据。其次,在探测器模拟时,本文用Delphes软件包,用它生成的.root文件,可以读出底夸克的探测效率,底夸克的探测效率与同一事例四轻子同时被探测到的概率乘积就是事例探测效率。这样分步骤的到的探测效率与直接用探测器模拟得到的探测效率比较,可以相互验证。最后,本文考虑了可约和不可约背景,利用Madgraph@NLO计算得到的散射截面,把事例数归一化到在3000fb-1亮度的产额后,做出了信号和背景事例数直方图,计算得到信号显著性为1.7。这一结果可为未来LHC实验提供参考。
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