Изучение бозона Хиггса Стандартной модели в механизме рождения VBF в распаде H→WW*→ℓνℓν в эксперименте ATLAS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Рамакоти Екатерина Николаевна

• Рамакоти Екатерина Николаевна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Рамакоти Екатерина Николаевна

Введение

Глава 1. Вводная теоретическая часть

1.1 Стандартная модель

1.2 Механизм Браута-Энглерта-Хиггса

1.3 Механизмы рождения и моды распада бозона Хиггса СМ

Глава 2. Эксперимент ATLAS на БАК

2.1 Большой адронный коллайдер

2.2 Детектор ATLAS

Глава 3. Восстановление объектов в детекторе ATLAS

3.1 Электроны

3.2 Мюоны

3.3 Адронные струи

3.4 Недостающая поперечная энергия Ejmiss и ее значимость

Глава 4. Физический анализ данных 2015 - 2016 гг

4.1 Отбор событий

4.2 Анализ канала H ^ WW*^ ev^v/^vev с кинематическими отборами

Глава 5. Физический анализ данных 2015 - 2018 гг

5.1 Многомерный анализ канала H^ WW*^ ev^v/^vev с DNN

5.1.1 Реконструкция событий

5.1.2 Отбор событий и категоризация

5.1.3 Оценка фона

5.1.4 События в сигнальной области и результаты

5.2 Проверочный анализ канала H^ WW*^ ev^v/^vev

5.3 Анализ канала H^ WW^ evev/^v^v

Заключение

Благодарности

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение бозона Хиггса Стандартной модели в механизме рождения VBF в распаде H→WW*→ℓνℓν в эксперименте ATLAS»

Введение

Актуальность темы исследования. Стандартная модель (СМ) [1-3] успешно описывает три фундаментальных взаимодействия элементарных частиц. Понимание механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии и генерации масс известных элементарных частиц [4-6] является одной из важнейших задач физики высоких энергий. Открытие в 2012 г. сотрудничествами ATLAS [7] и CMS [8] на Большом адронном коллайдере (БАК) новой частицы и последующее изучение ее свойств на большей статистике данных позволили сделать первые выводы о бозоне Хиггса (H) - последней частице, которая завершает СМ. Были измерены масса нового бозона [9], его сечения рождения в четырех основных механизмах и относительные вероятности в пяти ключевых каналах распада [10-11]. Результаты всех измерений с учетом погрешностей соответствуют предсказаниям СМ. В настоящее время бозон Хиггса является новым инструментом для ее изучения, а также физики за ее пределами. В частности, углубленное изучение констант связи бозона Хиггса позволит сделать вывод о том, какова структура физики за пределами СМ. Поэтому в рамках СМ важной задачей является улучшение точности экспериментальных измерений. Исследованный в настоящей работе механизм рождения H через слияние векторных бозонов (VBF) имеет второй по величине вклад в его сечение на БАК и обладает характерной особенностью - летящими под малыми углами двумя энергичными адронными струями. В рамках этого механизма изучаемый канал распада бозона Хиггса на WW* с дилептонным конечным состоянием - один из наиболее перспективных с точки зрения экспериментальной эффективности и значимости сигнала. Этот канал был одним из трех (наряду с H ^ ZZ* и H ^ уу), на основе комбинированного анализа которых был сделан вывод об обнаружении бозона Хиггса на БАК в 2012 г. Важно также отметить, что в механизме VBF и в вершине рождения, и в вершине распада бозона Хиггса на WW* присутствует одна и та же константа его связи с тяжелыми векторными бозонами.

Целью данной работы является измерение константы связи бозона Хиггса СМ с W-бозонами в механизме рождения VBF в канале распада H ^ WW* ^ Ivlv в эксперименте ATLAS, что ставит перед собой следующие задачи:

1. Проверка качества моделирования кинематики адронных струй в событиях с двумя лептонами в конечном состоянии в условиях повышенной светимости БАК.

2. Изучение влияния эффекта наложения событий в одном пересечении пучков на кинематические спектры адронных струй.

3. Оптимизация критериев отбора событий, их классификация по сигнальным и контрольным областям, оценка вкладов фоновых процессов и расчет ожидаемой значимости сигнала.

4. Разработка и применение глубокой нейронной сети в анализе для увеличения эффективности разделения сигнальных и фоновых событий.

5. Измерение полного сечения рождения бозона Хиггса в механизме слияния векторных бозонов с применением нейронной сети для улучшения точности.

6. Применение новой методики расчета дифференциальных сечений на основе независимых от канала распада вычислений для улучшенного согласования измеренных величин и теоретических предсказаний СМ.

Личный вклад автора. С 2017 г. в составе рабочей группы HWW эксперимента ATLAS автор проводит анализ данных с двумя лептонами в конечном состоянии для существенного улучшения точности измерений в канале распада H ^ WW* ^ Ivlv в механизме рождения через слияние векторных бозонов. Ею проанализирована полная статистика данных, набранных при энергии столкновений протонов Vs = 13 ТэВ, которая соответствует светимости 139 фбн-1. Ключевые распределения согласуются с моделированием методом Монте-Карло (MC), а чувствительность анализа стала выше по сравнению с результатами при Vs = 7 и 8 ТэВ. Эти исследования проводились с помощью инструментов официального программного обеспечения (ПО) эксперимента ATLAS, разработкой и отладкой которого занимался и сам автор. В частности, ею

был разработан алгоритм мониторинга калибровочных данных с жидкоаргонового калориметра.

С учетом упомянутых особенностей изучаемого механизма рождения бозона Хиггса и его канала распада на два W-бозона была исследована кинематика адронных струй в области сигнала и в контрольных кинематических областях фонов для трех экспозиций на БАК при разных его светимостях: 36 фбн-1, 44 фбн-1 и 59 фбн-1 для 2015 - 2016 гг., 2017 г. и 2018 г., соответственно. Восстановление адронных струй, сопровождающих рождение бозона Хиггса в механизме VBF, в значительной степени зависит от переднего калориметра, созданного силами группы НИЦ «Курчатовский институт» - ИТЭФ совместно с партнерами.

При достаточно большой светимости БАК число протон-протонных (pp) взаимодействий в одном пересечении сгустков пучка намного больше единицы, т. е. события накладываются на интересующее нас столкновение. За счет этого эффекта возникают проблемы с реконструкцией и идентификацией событий в детекторе ATLAS, что было исследовано автором и представлено в данной диссертации.

На основе известной методики анализа при Vs = 7 и 8 ТэВ автором было проделано исследование с использованием кинематических критериев отбора для конечного состояния с электроном и мюоном, оценены измеренная и ожидаемая значимости сигнала. Это исследование дополнило анализ на основе глубоких нейронных сетей, в котором диссертант принимал непосредственное участие. Важным вкладом автора также стал анализ каналов распада H ^ WWevev/^v^v на полной статистике при Vs = 13 ТэВ. Ею были разработаны критерии отбора событий сигнала, выбрана контрольная кинематическая область для доминирующего фона от процессов Дрелла-Яна, модернизированы и затем успешно применены алгоритмы на основе глубоких нейронных сетей для существенного увеличения чувствительности анализа.

Автор внес определяющий вклад в публикации [12-16], и существенный вклад в публикацию сотрудничества ATLAS [17], будучи соавтором трех

сопровождающих отчетов группы HWW и нескольких внутренних отчетов ATLAS. После успешно завершенной квалификационной работы, связанной с разработкой мониторинга для проверки качества данных с жидкоаргонового калориметра, она стала полноправным соавтором всех работ сотрудничества ATLAS с февраля 2022 г., и неоднократно выступал с докладами на международных и российских конференциях по тематике диссертации.

Кроме того, автор лично принимал участие в многочисленных работах по контролю качества данных, включая экспертные работы. Он занимался проверкой и исправлением основного ПО эксперимента ATLAS для оцифровки и симуляции данных установки.

Научная новизна. Диссертационная работа была осуществлена в сотрудничестве с НИЦ «Курчатовский институт» в международном эксперименте ATLAS в составе рабочей группы HWW, а тема входит в программу эксперимента по изучению бозона Хиггса СМ и поиску новых частиц за ее пределами. Все результаты, представленные в диссертационной работе, являются новыми. Впервые обнаружен сигнал, указывающий на обнаружение бозона Хиггса, в механизме VBF со значимостью, существенно большей, чем 5 а. Изучение свойств бозона Хиггса в механизме рождения через слияние векторных бозонов в канале H ^ WW* ^ Ivlv при Vs = 13 ТэВ проводилось лишь в эксперименте CMS на БАК. Конечное состояние с двумя мюонами и двумя электронами при Vs = 13 ТэВ ранее не рассматривалось в эксперименте ATLAS.

Практическая значимость. Полученные и представленные в диссертации результаты заложили основу для новых исследований по улучшению точности измеренных характеристик в данном канале распада в последующих экспозициях на БАК. В частности, алгоритмы выделения малого сигнала при большом фоне на основе нейронных сетей, использованные в работе, могут применяться и в других областях науки и техники.

Положения, выносимые на защиту. Следующие положения будут выноситься на защите диссертации:

1. Разработана и детально проверена методика моделирования кинематики адронных струй и распределений по поперечной массе для задачи исследования бозона Хиггса в канале распада H ^ WW* в механизме рождения VBF на основе анализа полной статистики событий с двумя лептонами и двумя струями в конечном состоянии при Vs = 13 ТэВ в эксперименте ATLAS без использования нейросетей [12-15].

2. Измерены полное сечение бозона Хиггса H ^ WW* ^ ev¡v в механизме рождения VBF с точностью 25%, а также упрощенные шаблонные сечения в нескольких областях фазового пространства по результатам анализа полной статистики событий при Vs = 13 ТэВ в эксперименте ATLAS с использованием нейросетей [17].

3. Доказана эффективность нейросетей для поиска каналов распада бозона Хиггса H ^ WW* ^ evev и H ^ WW* ^ ¡iv¡v при тех же условиях на основе анализа с предложенными и оптимизированными автором критериями отбора событий [15-16].

Апробация работы. Данные материалы регулярно обсуждались на рабочих совещаниях международного сотрудничества ATLAS, лично представлялись автором на различных конференциях и семинарах:

1. Молодежные конференции по теоретической и экспериментальной физике (МКТЭФ) (г. Москва, Россия, 2017 - 2021 г.).

2. 53-я Зимняя Школа Петербургского Института Ядерной Физики НИЦ «Курчатовский Институт» (г. Санкт-Петербург, Россия, 2018 г.).

3. International Conferences on Particle Physics and Astrophysics (ICPPA) (г. Москва, Россия, 2018, 2020 и 2022 гг.).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в шести статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК, индексируемых в базах данных РИНЦ, Web of Science и Scopus.

Достоверность результатов исследования. Данные, используемые в диссертационной работе, были набраны в период стабильного функционирования детектора ATLAS. В анализе было задействовано стандартное программное

обеспечение ATLAS, включая алгоритмы для реконструкции событий и моделирования детектора, а также физических процессов с использованием метода Монте-Карло. Полученные результаты согласуются с результатами аналогичных измерений, проведенных в эксперименте CMS. Достоверность результатов и выводов, представленных в диссертации, также обусловлена дополнительными независимыми исследованиями внутри содружества ATLAS.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и благодарностей. Общий объем работы - 92 страница, куда включены 9 формул, 43 рисунка и 15 таблиц. Список литературы содержит 89 ссылок.

Глава 1. Вводная теоретическая часть

В данной главе представлен краткий обзор теоретических основ, на которых базируется настоящая работа. Она включает в себя краткое описание стандартной модели элементарных частиц, механизма Хиггса, а также обсуждение канала Н ^ WW* ^ для которого выполнен анализ, представленный в диссертации в главах 4 и 5.

1.1 Стандартная модель

Стандартная модель (СМ) - это теория, которая успешно описывает элементарные частицы и их взаимодействия [1, 2]. Она основана на теории Янга-Миллса [3] с калибровочной группой симметрии:

Би (3)с ® Би(2), ® и(1 )¥, (1.1)

где С обозначает цветовой заряд, L - слабый изоспин, а Y - гиперзаряд. Теория включает в себя набор частиц с полуцелым спином, называемых фермионами, и набор частиц с целым спином, называемых бозонами, которые являются переносчиками взаимодействий: слабое взаимодействие осуществляется массивными бозонами W± и Z, электромагнитное взаимодействие - фотоном у, а сильное взаимодействие - восемью безмассовыми глюонами g.

Лептоны и кварки - это два класса фермионов, которые взаимодействуют посредством электрослабого взаимодействия. В отличие от лептонов, кварки также могут участвовать и в сильном взаимодействии. Существует три поколения каждого класса фермионов, причем каждое поколение лептонов и кварков организовано в дублеты и синглеты SU(2)L для левого и правого киральных состояний, соответственно. В СМ предполагается, что нейтрино не имеет массы, а состояние правой киральности отсутствует.

В электрослабом взаимодействии:

Qr-

u

d

L=

V

l4L

Ui.R, di,R, (1.2)

ku. (1.3)

Кварки могут иметь любой из трех возможных цветовых зарядов и присутствуют в триплетах SU(3)c, а лептоны, будучи бесцветными, присутствуют в синглетах SU(3)c. Полный лагранжиан СМ может быть составлен из электрослабых взаимодействий, сектора Хиггса, члена Юкавы для получения масс фермионов и сильных взаимодействий:

LsM — Lew + Lh + Lyukawa + L strong (1-4)

Электрослабое взаимодействие базируется на SU (2 )i ® и (1 )y . Теория квантовой хромодинамики (КХД), основанная на калибровочной группе симметрии SU (3 C, используется для описания сильных взаимодействий. В этой теории обладающие цветовыми зарядами кварки представлены в виде триплетов, в то время как слабо взаимодействующие лептоны представлены в виде цветных синглетов. Взаимодействие между частицами происходит через 8 глюонных полей.

1.2 Механизм Браута-Энглерта-Хиггса

В теории Янга-Миллса массовые члены для полей фермионов и калибровочных бозонов не включены, поскольку они нарушили бы калибровочную инвариантность, сделав все частицы безмассовыми. Чтобы решить эту проблему в СМ, вводят механизм Браута-Энглерта-Хиггса [4-6], который является спонтанным нарушением электрослабой симметрии, таким образом придавая массу бозонам-носителям слабого взаимодействия и оставляя фотон безмассовым, а также вводя дополнительное физическое скалярное поле. Массовый член для фермионов также может быть получен с помощью механизма

Браута-Энглерта-Хиггса при помощи добавления к Lew члена Lyukawa, чтобы сохранить калибровочную инвариантность.

Дополнительное физическое поле назвали полем Хиггса, а его бозон-переносчик - бозон Хиггса. Это поле является скалярным, а значит, и сам бозон Хиггса должен обладать нулевым спином и положительной четностью (J = 0+). Эту частицу с массой 125.09 ± 0.24 ГэВ обнаружили сотрудничества ATLAS и CMS в 2012 г. [7, 8]. Другие типы бозонов Хиггса предсказываются различными теориями, выходящими за рамки СМ, и в этой работе они рассматриваться не будут. СМ несовершенна и является частью более широкой теории, включающей новую физику. Об этом говорит ряд космологических и лабораторных измерений: наличие темной материи, на существование которой указывают оценки скоростей движения галактик, наличие массы у нейтрино, барионная асимметрия Вселенной, иерархия масс фермионов; кроме того, СМ не описывает гравитацию. Новая информация, полученная в результате экспериментов на БАК, является ключевой для построения такой теории.

При известной массе все остальные характеристики бозона Хиггса (константы связи, сечения, относительные вероятности распадов) однозначно предсказываются СМ, но из соображений унитарности следует только то, что в СМ mH < 1 ТэВ. В 2003 г. был установлен нижний предел на его массу -mH > 114.4 ГэВ на 95%-ном уровне достоверности (CL) [18]. В результате измерения массы /-кварка в экспериментах на коллайдере Tevatron (Батавия, США) исследования парного рождения векторных бозонов на LEP и других теоретических исследований ученых, занимающихся прецизионным анализом электрослабых взаимодействий, удалось поставить ограничение по массе сверху -тн < 152 ГэВ на 95%-ном CL [19]. Первые результаты об открытии новой частицы с массой 125 ГэВ были объявлены сотрудничествами ATLAS и CMS [7, 8] в середине 2012 г. Все последующие более точные измерения подтвердили вывод, что эта частица и есть H [10, 11].

1.3 Механизмы рождения и моды распада бозона Хиггса СМ

Мы перечислим главные механизмы рождения бозона Хиггса в СМ на БАК в порядке убывания сечения. Доминирующий вклад дает слияние глюонов (ggF), затем идет слияние векторных бозонов (VBF), ассоциативное рождение с этими бозонами (УН) или парой тяжелых кварков (йН, ЬЬН) (см. Рисунок 1.1). В Таблице 1.1 и на Рисунке 1.2 показаны ожидаемые сечения рождения при массе 125 ГэВ [20]. Отметим, что для механизма ggF они рассчитаны в третьем порядке по теории возмущений (в приближении N3LO). В случае VBF рождение Н сопровождается двумя адронными струями, характеризуемыми большими значениями поперечного импульса и небольшими углами отклонения от оси столкновения. Поэтому для экспериментальной регистрации таких струй важно иметь калориметр, перекрывающий эту область.

Рисунок 1.1 — Диаграммы Фейнмана для различных механизмов образования Н на БАК: слияние глюонов (ggF) показано в верхнем левом углу, слияние векторных бозонов (VBF) - в верхнем правом углу, ассоциативное рождение Хиггса с векторными бозонами (WH/ZH) - внизу слева, а рождение с ^кварками (^Н) - внизу справа [20].

Механизм рождения Сечение при 13 ТэВ, пбн Сечение при 8 ТэВ, пбн

ggF (слияние глюонов) 48.5-3! 21 4+0.9 0.4

VBF (слияние бозонов) 3.78 ±0.08 1.60 ±0.04

WH (ассоциативное) 1.37 ±0.02 0.70 ±0.02

ZH (ассоциативное) 0.88 ±0.01 0.42 ±0.01

ЬЬН (ассоциативное) 0.49 ±0.10 0 20+004 0.05

иН (ассоциативное) 0 51+0 03 0.05 0 133+0.008 °-133_ 0.013

Н (ассоциативное) 0 074+0004 0.010 0 019+0 002 и.и1Э_ 0.003

Полное 55.6+-2з31 24 5+0.9 _ 0.4

Таблица 1.1 — Ожидаемые сечения рождения Н при ^ = 8 и 13 ТэВ [20]

Рисунок 1.2 — Ожидаемые сечения рождения Н на БАК. Синяя линия соответствует механизму рождения ggF, а красная линия - VBF [20]

При массе бозона Хиггса около 125 ГэВ величина относительных вероятностей (BR) многих каналов распада достаточна, чтобы можно было исследовать константы связи Н со многими частицами СМ. На Рисунке 1.3 показаны рассчитанные BR основных каналов распада в зависимости от тн. В Таблице 1.2 они приводятся при массе 125 ГэВ [20].

Рисунок 1.3 — Относительные вероятности распада Н на различные конечные

состояния [20]

Распад В^ % Мода, удобная для экспериментального наблюдения

Н—ЬЬ 58.1 ±1.2 Рождение в механизмах УН, ¿Н

H—WW* 21.6 ±0.9 Распад обоих W в лептон и нейтрино

Н—тт 6.30 ±0.36 Рождение в механизме VBF; события с большим рт

Н—22* 2.67±0.11 Распад обоих 2 в лептоны, восстанавливают тН

Н—уу 0.228 ±0.011 Восстанавливают тН

Н—2у 0.155 ±0.014 Распад 2 в лептоны, восстанавливают тН

Н— 0.022 ±0.001 Восстанавливают тН

Таблица 1.2 — Ожидаемые моды распада Н при тн = 125 ГэВ [20]

При массе 125 ГэВ почти в 60% случаях бозон Хиггса должен распадаться по каналу Н—ЬЬ. Этот канал легче исследовать в механизмах рождения УН или ¿Н, поскольку в случае ggF очень велик фон. Канал Н — WW* — (здесь и далее под I мы будем иметь в виду электрон/позитрон или мюон) более удобен для экспериментальной регистрации, хотя его относительная вероятность всего около 1% из-за того, что BR ^ — IV) ~ 22%. Однако в указанном канале нельзя

напрямую реконструировать массу бозона Хиггса. В канале Н ^ тт эффективнее искать сигнал в механизме рождения VBF. К «золотой» моде распада бозона Хиггса относят канал Н ^ ZZ* ^ 41, поскольку его массу легко восстановить, а достичь отношения сигнала к фону больше единицы не является серьезной проблемой. Однако вероятность такого распада составляет всего около 10-4, поэтому необходимо накопить большую статистику, чтобы увидеть сигнал. Интересны также каналы Н ^ уу с BR ~ 10-3 и Н ^ ¡л¡л с BR ~ 10-4, в которых масса бозона Хиггса восстанавливается с хорошим разрешением, однако наблюдаются сложные фоновые условия. Рассматривают и канал Н ^ Zу (если Z распадается в лептоны) с BR ~ 10-4. В данной работе изучается канал распада Н ^ WW* ^ где бозон Хиггса рождается в механизме VBF.

Глава 2. Эксперимент ATLAS на БАК

В данной главе представлен обзор экспериментальной установки, т. е. Большого адронного коллайдера (БАК) и детектора ATLAS с его подсистемами.

2.1 Большой адронный коллайдер

БАК [21] - крупнейший из когда-либо построенных ускорителей заряженных частиц на встречных пучках, который предназначен для изучения протон-протонных (и ион-ионных) столкновений при энергиях в с. ц. м. от Vs = 5 ТэВ до Vs = 14 ТэВ. Основное кольцо БАК представляет собой туннель длиной 27 км, расположенный на глубине 100 м под землей, недалеко от Женевы в Швейцарии, в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН).

Протонные столкновения в БАК происходят в четырех точках соударений (IP), где установлены детекторы для проведения экспериментов: ATLAS [22], CMS [23], LHCb [24] и ALICE [25] (см. Рисунок 2.1 [26]). Для создания протонного пучка сначала валентные электроны отделяют от водорода и ускоряют до 50 МэВ в линейном ускорителе (LINAC21). Затем протоны проходят через серию ускорителей: протонный синхротронный бустер (PSB, 1.4 ГэВ), протонный синхротрон (PS, 26 ГэВ), супер-протонный синхротрон (SPS, 450 ГэВ). После этого протонные пучки вводятся в кольцо БАК, где они ускоряются до необходимой энергии с помощью сверхпроводящих радиочастотных резонаторов (400 МГц). Пучки протонов удерживаются в кольце БАК с помощью сверхпроводящих дипольных магнитов, создающих магнитное поле 8.3 Тл. Пучки стабилизируются и фокусируются с помощью квадрупольных магнитов.

1С 2022 года LINAC2 был заменен на LINAC4 [27], способный ускорить ионы водорода до 160 МэВ, для увеличения светимости БАК.

Рисунок 2.1 — Схема БАК с основными элементами структуры [26]

Для измерения сечений2 процессов рассеяния необходимо знать светимость коллайдера - меру количества протонов, пересекающих друг друга в единицу времени и площади. Количество событий (Ыр^езз) процесса взаимодействия протонов можно выразить через интегральную светимость & за период сбора данных как:

Ыргосвяя бртосвъъ

(2.1)

где е - экспериментальная эффективность обнаружения процесса, зависящая от методики анализа и используемого детектора, а Ортсв^ - сечение изучаемого процесса взаимодействия частиц.

2Сечение является мерой вероятности процесса взаимодействия частиц. Оно определяется в единицах площади, обычно в барнах (бн) или производных единицах: 1 бн = 10-28 м2,

1 фбн = 10-43 м2.

За определенный период времени можно рассчитать интегральную светимость коллайдера, проинтегрировав мгновенную светимость L, зависящую от различных параметров пучка за этот период времени:

œ = \Ldt (2.2)

Неопределенность светимости является одной из систематических ошибок при измерениях сечений. Краткое описание детекторов и алгоритмов, используемых для определения светимости в ATLAS, можно найти в [28-29].

Светимость БАК, набранная в 2011 г. в ATLAS при V s = 7 ТэВ, превышает 5 фбн-1, а при Vs = 8 ТэВ в 2012 г. - 23 фбн-1 (первый набор данных - Run 1). После модернизации БАК и экспериментальных установок (2013 - 2014 гг.) в 2015 - 2018 гг. был проведен второй набор данных (Run 2) при энергии в с. ц. м. Vs = 13 ТэВ. Максимальная достигнутая светимость БАК в это время вдвое превысила проектную (1034 см-2с-1), а интегральная светимость составила 160 фбн-1. В 2022 г., после очередной плановой модернизации, целью которой являлось повышение энергии пучков до Vs = 13.6 ТэВ и светимости до 3 х 1034 см-2с-1, БАК возобновил работу при этой рекордной энергии (третий набор данных - Run 3), что должно позволить к концу 2025 г. увеличить имеющийся образец событий втрое.

В настоящее время уже реализуется проект HL-LHC, целью которого является достижение светимости БАК от 5 до 7 х 1034 см-2с-1, при этом в экспериментах ATLAS и CMS планируется набрать объем данных, который эквивалентен 3000 фбн-1 к концу 2041 г., а затем перейти к столкновениям при удвоенной энергии протонов в с. ц. м. (27 ТэВ). В Таблице 2.1 представлены ключевые параметры БАК [30].

Энергия столкновения ^ 7 ТэВ 8 ТэВ 13 ТэВ 14 ТэВ (план) 14 ТэВ (HL-LHC)

Светимость, 1033 см -2 с-1 1 7.7 21 10 50

Инт. светимость, фбн-1 6.1 23.3 160 100 3000

Время между сгустками, нс 49.90 49.90 24.95 24.95 24.95

Радиус пучка, мкм 16.6 18.8 10 16 7

Число протонов в сгустке, 1010 11.5 16 12,5 10 22

Число сгустков в пучке 1380 1380 2350 2808 2760

Таблица 2.1 — Ключевые параметры БАК [30]

При достаточно большой светимости БАК число pp взаимодействий в одном пересечении сгустков ^, намного больше единицы. При этом есть два типа эффектов, вызванных этим наложением. Первый эффект относится к дополнительным pp-взаимодействиям, возникающим в том же пересечении сгустков, что и интересующее нас столкновение. Второй эффект происходит из-за дополнительных столкновений, возникающих при пересечении сгустков до и после интересующего столкновения. Такие столкновения могут оставлять сигналы в подсистемах детектора, поскольку время интегрирования сигнала сильно превышает 25 нс. Мерами указанного эффекта служат среднее <м> и количество вершин взаимодействия на событие - Nvtx. Распределения по <м> в эксперименте ATLAS для Run 2 показаны на Рисунке 2.2 [31]. Среднее значение равняется 34.2, но само распределение широкое и перекрывает диапазон от 10 до 70. Небольшой максимум при связан со специальными экспозициями при довольно низкой светимости. Упомянутый эффект наложения событий может привести, в частности, к существенному увеличению некоторых фонов для анализа, представленного в диссертации.

Рисунок 2.2 — Среднее количество взаимодействий при пересечении сгустков пучков («) по данным эксперимента ATLAS с 2015 по 2018 г. [31]

2.2 Детектор ATLAS

Установка ATLAS [22] является одной из крупнейших двух многоцелевых установок на БАК, наряду с CMS, и предназначена для проверки СМ, а также для изучения физики за ее пределами. Детектор ATLAS, представленный на Рисунке 2.3, - это цилиндрический детектор, окружающий трубы пучков и центрированный относительно них. Он состоит из внутреннего детектора (ID), электромагнитного калориметра (ECAL), адронного калориметра (HCAL) и мюонных спектрометров. Вместе эти подсистемы, которые будут описаны ниже, обеспечивают почти полное покрытие углового диапазона вокруг точки столкновения пучков.

Рисунок 2.3 — Схема детектора ATLAS [22]

На Рисунке 2.4 схематично показаны примеры разных типов частиц, проходящих последовательно через все подсистемы установки ATLAS и их отклики.

Рисунок 2.4 — Сектор установки ATLAS, для которого схематически изображены разные типы частиц и их взаимодействия с ее подсистемами [22]

1. Внутренняя часть установки ATLAS [22] содержит детекторы для идентификации частиц и точного измерения их траекторий (IBL-слой для

идентификации ¿-кварков [32], пиксельный детектор [33], полупроводниковый трековый детектор [34, 35], трековый детектор переходного излучения [36, 37]). Три системы расположены концентрическими цилиндрами вдоль пучка в виде дисков, перпендикулярных направлению пучка, на торцевых крышках. Во внутреннем детекторе (Рисунок 2.5), который покрывает область псевдобыстрот3 |п| < 2.5 и имеет разрешение по импульсу (в ГэВ) а(рТ)/рт = 0.05% х рт 0 1%, осуществляется измерение импульсов и координат заряженных частиц, а также определение вершин первичных и вторичных взаимодействий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рамакоти Екатерина Николаевна, 2024 год

Список литературы

1. S. Weinberg, A model of leptons [Текст] // Phys. Rev. Lett. - 1967. - 19, 1264.

2. A. Salam, Weak and electromagnetic interactions [Текст] // Phys. Lett. - 1964. -

13, 168.

3. C.-N. Yang and R. L. Mills, Conservation of isotopic spin and isotopic gauge

invariance [Текст] // Phys. Rev. - 1954. - 96, 191.

4. P. W. Higgs, Broken symmetries and the masses of gauge bosons [Текст] // Phys.

Rev. Lett. - 1964. - 13, 508.

5. G. S. Guralnik, C. R. Hagen and T. W. Kibble, Global conservation laws and

massless particles [Текст] // Phys. Rev. Lett. - 1964. - 13, 585.

6. T. W. Kibble, Symmetry breaking in non-Abelian gauge theories [Текст] // Phys.

Rev. - 1967. - 155, 1554.

7. ATLAS Collaboration, Observation of a new particle in the search for the

Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC [Текст] // Phys. Lett. - 2012. - B 716, 1.

8. CMS Collaboration, Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the

CMS experiment at the LHC [Текст] // Phys. Lett. - 2012. - B 716, 30.

9. ATLAS and CMS Collaborations, Combined Measurement of the Higgs Boson

Mass in pp Collisions at ^s = 7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS Experiments [Текст] // Phys. Rev. Lett. - 2015. - 114, 191803.

10. ATLAS Collaboration, A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS

experiment ten years after the discovery [Text] // Nature. - 2022. - 607, 52.

11. CMS Collaboration, A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten

years after the discovery [Text] // Nature. - 2022. - 607, 60.

12. Рамакоти Е.Н., Гаврилюк А.А., Цукерман И.И., Анализ двухлептонных

событий для изучения свойств стандартного бозона Хиггса в канале H^WW*^lvlv в эксперименте АТЛАС на БАК при 13 ТэВ [Te^] // Ядерная Физика и Инжиниринг. - 2018. - 9, 488.

13. E.N. Ramakoti, A.A. Gavrilyuk, I.I. Tsukerman, An Investigation of Signal

Kinematical Region to Study Standard Model Higgs Boson Properties in the H ^WW*^lvlv Decay Channel in the ATLAS Experiment at the Large Hadron Collider at 13 TeV [Text] // Phys. At. Nucl. - 2019. - 82, 1696.

14. E.N. Ramakoti, A.A. Gavrilyuk, I.I. Tsukerman, Study of events with an electron,

muon, and two hadron jets in the final state with an integrated luminosity of a 139 fb-1 in pp collisions at Vs = 13 TeV with the ATLAS detector at the LHC [Text] // Phys. At. Nucl. - 2021. - 84, 1776.

15. E.N. Ramakoti, A.A. Gavrilyuk, I.I. Tsukerman, A study of the standard model

Higgs boson in the H^WW*^lvlv decay channel in the ATLAS experiment at the LHC [Text] // Phys. At. Nucl. - 2021. - 84, 2055.

16. A.A. Gavrilyuk, E.N. Ramakoti, I.I. Tsukerman, Search for the Standard Model

Higgs boson and a heavy resonance in the WW*^(evev + iviv) decay channel in the ATLAS experiment [Text] // Phys. At. Nucl. - 2022. - 85, 1587.

17. ATLAS Collaboration, Measurement of Higgs boson production by gluon-gluon

fusion and vector-boson-fusion using H^WW*^eviv decays in pp collisions at Vs = 13 TeV with the ATLAS detector [Text] // Phys. Rev. D. - 2023. - 108, 032005.

18. LEP Working Group for Higgs boson searches and ALEPH and DELPHI and L3

and OPAL Collaboration, Search for the Standard Model Higgs Boson at LEP [Text] // Phys. Lett. - 2003. - B565, 61.

19. The LEP Electroweak Working Group, [Электронный ресурс]. -

url: // lepewwg.web.cern.ch/lepewwg

20. D. de Florian [et al.], Handbook of LHC Higgs Cross Section: 4. Deciphering the

Nature of the Higgs Sector [Text] : tech. Rep. // CERN. - Geneva, 2016. -arXiv:1610.07922.

21. L. Evans and P. Bryant (editors), LHC Machine [Текст] // J. Instrum. - 2008. - 3,

S08001.

22. ATLAS Collaboration, The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron

Collider [Текст] // J. Instrum. - 2008. - 3, S08003.

23. CMS Collaboration, The CMS experiment at the CERN LHC [Текст] //

J. Instrum. - 2008. - 3, S08004.

24. LHCb Collaboration, The LHCb detector at the LHC // J. Instrum. - 2008. - 3,

S08005.

25. ALICE Collaboration, The ALICE experiment at the CERN LHC //

J. Instrum. [Текст] // J. Instrum. - 2008. - 3, S08002.

26. Jean-Luc Caron, Accelerator complex of CERN: an overview of all accelerators

of CERN // CERN. - Geneva, 2001. - CERN-DI-0107024. - url: // cds.cern.ch/record/42384.

27. V. Maurizio [et al.], Linac4 design report. // CERN Yellow Reports. - 2020. -

Vol. 6. - url: // cds.cern.ch/record/2736208.

28. ATLAS Collaboration, Luminosity determination in pp collisions at Vs = 13 TeV

using the ATLAS detector at the LHC [Text] // CERN. - Geneva, 2019. ATLAS-C0NF-2019-021. - url: // cds.cern.ch/record/2677054.

29. ATLAS Collaboration, Luminosity determination in pp collisions at Vs = 8 TeV

using the ATLAS detector at the LHC [Text] // Eur. Phys. J. - 2016. - C76, 653.

30. Цукерман И.И., Изучение бозона Хиггса в канале распада H^-WW(*) в

эксперименте ATLAS на LHC ^кст] : дис. ... д-ра физ.-мат. Наук: 01.04.23. - Москва, 2020. - 213 с.

31. ATLAS Collaboration, Emulating the impact of additional proton-proton

interactions in the ATLAS simulation by pre-sampling sets of inelastic Monte Carlo events [Text] // Comput. Softw. Big Science. - 2022. - 6, 3. -arXiv:2102.09495.

32. D. Abbott [et al.], Production and Integration of the ATLAS Insertable B-

Layer [Text] // J. Instrum. - 2018. - 13, T05008.

33. G. Aad [et al.], ATLAS pixel detector electronics and sensors [Text] //

J. Instrum. - 2008. - 3, P07007.

34. A. Abdesselam [et al.], The Barrel Modules of the ATLAS SemiConductor

Tracker [Text] // Nucl. Instr. Meth. - 2006. - A568, 642.

35. A. Abdesselam [et al.], The ATLAS semiconductor tracker end-cap module [Text]

// Nucl. Instr. Meth. - 2007. - A575, 353.

36. E. Abat [et al.], The ATLAS TRT Barrel Detector [Text] // J. Instrum. - 2008. -

3, P02014.

37. E. Abat [et al.], The ATLAS TRT End-Cap Detectors [Text] // J. Instrum. -

2008. - 3, P10003.

38. B. Aubert [et al.], Construction, assembly and tests of the ATLAS

electromagnetic barrel calorimeter [Text] // Nucl. Instr. Meth. - 2006. - A558, 388.

39. ATLAS Collaboration, Readiness of the ATLAS Tile Calorimeter for LHC

collisions [Text] // Eur. Phys. J. - 2010. - C70, 1193.

40. G.M. Gingrich [et al.], Construction, assembly and testing of the ATLAS

hadronic end-cap calorimeter [Text] // J. Instrum. - 2007. - 2, P05005.

41. M. Aleksa [et al.], Construction, assembly and tests of the ATLAS

electromagnetic end-cap calorimeters [Text] // J. Instrum. - 2008. - 3, P06002.

42. A. Artamonov [et al.], The ATLAS forward calorimeter [Text] // J. Instrum. -

2008. - 3, P02010.

43. A. Yamamoto [et al.], The ATLAS central solenoid [Text] // Nucl. Instr. Meth. -

2008. - A584, 53.

44. ATLAS Collaboration, ATLAS barrel toroid [Text] : tech. rep. // CERN. -

Geneva, 1997. - CERN-LHCC-97-19. - url: // cds.cern.ch/record/331065.

45. D.E. Baynham [et al.], Engineering status of the end cap toroid magnets for the

ATLAS experiment at LHC [Text] // IEEE T. Appl. Supercond. - 2000. - 10, 357.

46. F. Bauer [et al.], Construction and Test of MDT Chambers for the ATLAS Muon

Spectrometer [Text] // Nucl. Instr. Meth. - 2001. - A461, 17.

47. T. Argyropoulos [et al.], Cathode Strip Chambers in ATLAS: Installation,

Commissioning and in Situ Performance [Text] // IEEE Trans. Nucl. Sci. -

2009. -56, 1568.

48. G. Aielli [et al.], Test and performances of the RPC trigger chambers of the

ATLAS experiment at LHC [Text] // Nucl. Instr. Meth. - 2004. - A533, 193.

49. K. Nagai, Thin gap chambers in ATLAS [Text] // Nucl. Instr. Meth. - 1996. -

A384, 219.

50. P. Achenbach [et al.], The ATLAS Level-1 Calorimeter Trigger [Text] //

J. Instrum. - 2008. - 3, P03001.

51. ATLAS Collaboration, Performance of the ATLAS Trigger System in 2010 [Text]

// Europ. Phys. J. - 2012. - C72, 1849.

52. ATLAS Collaboration, The ATLAS Data Acquisition and High Level Trigger

system [Text] // J. Instrum. - 2016. - 11, P06008.

53. ATLAS Collaboration, Performance of the ATLAS trigger system in

2015 [Text] // Europ. Phys. J. - 2017. - C77, 317.

54. T. Gleisberg [et al.], Event generation with SHERPA 1.1 [Text] // JHEP. -

2009. - 0902, 007. - arXiv:0811.4622.

55. T. Sjöstrand, S. Mrenna and P. Skands, A brief introduction to

PYTHIA 8.1. [Text] // Comput. Phys. Commun. - 2008. - 178, 852. -arXiv:0710.3820.

56. S. Agostinelli [et al.], Geant4 - a simulation toolkit [Text] // Nucl. Instr. Meth. -

2003. - A506, 250.

57. ATLAS Collaboration, Measurement of the photon identification efficiencies with

the ATLAS detector using LHC Run 2 data collected in 2015 and 2016 [Text] // Eur. Phys. J. - 2016. - C76, 581.

58. ATLAS Collaboration, Electron reconstruction and identification in the ATLAS

experiment using the 2015 and 2016 LHC proton-proton collision data at Vs = 13 TeV [Text] // Europ. Phys. J. - 2019. - 79, 639.

59. W. Lampl [et al.], Calorimeter clustering algorithms: Description and

Performance [Text] : tech. rep. // CERN. - Geneva, 2008. - ATL-LARG-PUB-2008-002. - url: // cds.cern.ch/record/1099735.

60. ATLAS Collaboration, Muon reconstruction performance of the ATLAS detector

in proton-proton collision data at Vs = 13 TeV [Text] // Europ. Phys. J. -2016. - 76, 292.

61. ATLAS Collaboration, Topological cell clustering in the ATLAS calorimeters and

its performance in LHC Run 1 [Text] // Eur. Phys. J. - 2017. - C77, 490.

62. M. Cacciari, G. Salam, and G. Soyez, The anti-kt jet clustering algorithm [Text] //

JHEP. - 2008. - 0804, 063.

63. ATLAS Collaboration, Jet energy measurement with the ATLAS detector in

proton-proton collisions at 7 TeV [Text] // Eur. Phys. J. - 2013. - C73, 2304.

64. ATLAS Collaboration, Jet calibration and systematic uncertainties for jets

reconstructed in the ATLAS detector at Vs = 13 TeV [Text] : tech. rep. // CERN. - Geneva, 2015. - ATLAS-PHYS-PUB-2015-015. -url: // cds.cern.ch/record/2037613.

65. ATLAS Collaboration, Performance of pile-up mitigation techniques for jets

in pp collisions at Vs = 8 TeV using the ATLAS detector [Text] // Eur. Phys. J. -2016. - C76, 581.

66. ATLAS Collaboration, Identification and rejection of pile-up jets at high

pseudorapidity with the ATLAS detector [Text] // Eur. Phys. J. - 2017. - C77, 580.

67. ATLAS Collaboration, Jet reconstruction and performance using particle flow

with the ATLAS Detector [Text] // Eur. Phys. J. - 2017. - C77, 466.

68. ATLAS Collaboration, ATLAS b-jet identification performance and efficiency

measurement with tt events in pp collisions at 13 TeV [Text] // Eur. Phys. J. -2019. - C79, 970.

69. ATLAS Collaboration, Performance of missing transverse momentum

reconstruction with the ATLAS detector in the first proton-proton collisions at Vs = 13 TeV [Text] // CERN. - Geneva, 2015. - ATL-PHYS-PUB-2015-027 -url: // cds.cern.ch/record/2037904.

70. ATLAS Collaboration, Performance of missing transverse momentum

reconstruction with the ATLAS detector using proton-proton collisions at Vs=13 TeV [Text] // Eur. Phys. J. - 2018. - C78, 903.

71. ATLAS Collaboration, Object-based missing transverse momentum significance

in the ATLAS detector [Text] : tech. rep. // CERN.- Geneva, 2018. - ATLAS-C0NF-2018-038. - url: // cds.cern.ch/record/2630948.

72. ATLAS Collaboration, Observation and measurement of Higgs boson decays

to WW' with the ATLAS detector [Text] // Phys. Rev. - 2015. - D92, 012006.

73. ATLAS Collaboration, Measurements of gluon-gluon fusion and vector-boson

fusion Higgs boson production cross-sections in the H^WW*^evjuv decay channel in pp collisions at 13 TeV with the ATLAS detector [Text] // Phys. Lett. - 2019. - B789, 508

74. J.H. Friedman, Greedy function approximation: a gradient boosting

machine [Text] // Ann. Stat. - 2001. - 29, 1189.

75. F. Chollet [et al.], Keras [Text] : tech. rep. - 2015. - url: //keras.io.

76. TensorFlow: Large-Scale Machine Learning on Heterogeneous Systems //

Software available from tensorflow.org - 2015. -url: //www.tensorflow.org.

77. Рамакоти Е.Н., Изучение кинематики адронных струй в канале

H^WW^lvlv в эксперименте АТЛАС на БАК [Текст] // диплом магистра : 14.04.02 - Москва, 2017. - 59.

78. CMS Collaboration, Measurement of Higgs boson production and properties in

the WW decay channel with leptonic final states [Text] // JHEP. - 2014. - 01, 096.

79. CMS Collaboration, Measurements of properties of the Higgs boson decaying to

a W boson pair in pp collisions at 13 TeV [Text] // Phys. Lett. - 2019. - B791, 578.

80. J. Duchi, E. Hazan, and Y. Singer, Adaptive subgradient methods for online

learning and stochastic optimization [Text] // JMLR. - 2011. - 12, 7.

81. A.A. Gavrilyuk, E.N. Ramakoti, I.I. Tsukerman, Study of events with two leptons

in the final state to investigate properties of the Standard Model Higgs boson and search for a heavy Higgs boson in the h/H ^ WW* ^ Ivlv decay in pp collisions at 13 TeV with the ATLAS detector at the LHC [Text] // Phys. At. Nucl. - 2021. - Vol. 84, No. 9, 1660.

82. ATLAS Collaboration, Electron and photon performance measurements with the

ATLAS detector using the 2015-2017 LHC proton-proton collision data [Text] // J. Instrum. - 2019. - 14, P12006.

83. ATLAS Collaboration, Muon reconstruction and identification efficiency in

ATLAS using the full Run 2 pp collision data set at 13 TeV [Text] // Eur. Phys. Journal. - 2021. - C81, 578.

84. ATLAS Collaboration, Jet energy scale measurements and their systematic

uncertainties in proton-proton collisions at 13 TeV with the ATLAS detector [Text] // Phys. Rev. - 2017. - D96, 072002.

85. N. Berger [et al.], Simplified Template Cross Sections - Stage 1.1. [Text] : tech.

rep. // CERN. - Geneva, 2019. - LHCHXSWG-2019-003. - url: // cds.cern.ch/record/2669925.

86. CMS Collaboration, Measurements of the Higgs boson production cross section

and couplings in the W boson pair decay channel in proton-proton collisions at Vs = 13 TeV [Text] // Eur. Phys. J. C. - 2023. - Vol. 83, 667. -arXiv:2206.09466.

87. E. Boos, V. Bunichev, S. Dubinin and Y. Kurihara, Higgs boson signal at

complete tree level in the SM extension by dimension-six operators [Text] // Phys. Rev. - 2014. - D89, 35001.

88. R.L. Workman [et al.] (Particle Data Group), The Review of Particle Physics //

Prog. Theor. Exp. Phys. - 2022, 083C001.

89. J. Alwall [et al.], The automated computation of tree-level and next-to-leading

order differential cross sections, and their matching to parton shower simulations [Text] // J. High Energy Phys. - 2014. - Vol. 07, 79. -arXiv:1405.0301.