ATLAS实验上通过Z/gamma*-->ll 过程测量弱混合角

The Standard Model (SM) is a core theory of particle physics. There are 19 fundamental parameters predicted by the SM, and the weak mixing angle (stw) is one of them. The value of stw can be only from experimental measurements, but its measured precision is relatively low, and among these measurements, the best precisions are from lepton colliders, LEP and SLD, which yield 0.23221±0.00029 and 0.23098±0.00026 respectively. However, there’s a difference of more than 3sigma between these two most precise measurements. In this case, it’s very important and urgent to measure the stw with high precision from another experiment..Among the hadron colliders, Tevatron managed to perform a measurement on stw, and the final result is 0.23148±0.00033, which is close to the precision of LEP and SLD. The Large Hadron Collider (LHC) has already collected more datasets than the Tevatron, and in this project, we propose to perform a stw measurement with ~120/fb dataset collected by the ATLAS detector at LHC during Run II period. In this proposal, a key point is the lepton performance study, such as lepton energy calibration study, which is especially helpful to suppress the experimental uncertainties, and thus can improve the final measured precision. From this proposal, the expected precision on stw measurement can be better than Tevatron, and may go as precise as LEP and SLD.

粒子物理SM理论包含19个基本参数,弱混合角是其中之一，其数值只能从实验上测量。弱混合角的实验测量精度相对较低，其中最精确的测量来自LEP和SLD，结果分别为0.23221±0.00029和0.23098±0.00026，但两者间测量值的差别超过了3倍误差。因此，从其他实验对弱混合角进行精确测量是十分重要且迫切的工作。 .强子对撞实验Tevatron上也对弱混合角的测量进行了尝试，测量结果为0.23148±0.00033，精度已经逼近LEP和SLD。欧洲大型强子对撞机（LHC）目前所提供的数据量已远超过Tevatron。本项目拟基于LHC上的ATLAS实验，利用Run II约120/fb的数据对弱混合角进行测量。本项目将重点基于末态轻子的性能研究展开，如新的轻子能量刻度方法研究，以尽可能降低测量的系统误差，提高精度。预期本研究的测量精度可以超过Tevatron，并接近或达到LEP和SLD。

弱混合角是标准模型的基本参数之一，必须由实验进行测量，目前测量精度相对较低。弱作用的衰变中存在电荷的前后不对称性(AFB)，其大小受弱混合角控制。因此，利用Z->ll过程中的前后不对称性来测量弱混合角是实验上最常用的途径。强子对撞机上由于Z玻色子的产生截面极大，可明显的降低弱混合角测量的统计误差，但对系统误差的控制相对困难。本课题利用LHC对撞机上的ATLAS探测器在2015-2016年获取的约36/fb的pp对撞数据，通过测量Z->ll过程中的前后不对称性对弱混合角的抽取策略做了尝试和研究，并重点探索了该过程最主要系统误差的控制，包括PDF误差和轻子能量刻度误差。. 由于AFB本身既受弱混合角控制，又受PDF影响，故我们尝试了利用实验上测量的AFB来对PDF误差进行限制，但此方案会对弱混合角的测量带来偏差。对于如何使用AFB来限制PDF误差的同时降低对弱混合角测量的偏差，我们进行了研究并给出了相关方案，结果发表在Chinese Phys. C 45 053001 和 Eur. Phys. J. C (2022) 82:368 上。此外，我们给出了从根本上消除弱混合角测量中与PDF之间关联性的办法，即将AFB与PDF相关的部分也参数化为相关参数，然后用测得的AFB分布对弱混合角和PDF参数进行联合拟合，相关方案发表在 Phys. Rev. D 106, 033001 (2022)。. 对于轻子能量的刻度误差，我们发展了一套新的刻度方法以降低误差。目前形成了两篇内部工作笔记ATL-COM-PHYS-2018-321 和 ATL-COM-PHYS-2018-322，并已经提交给了ATLAS相关性能研究组做审核。相关结果在国际大会EPS_HEP2019做了相关报告。. 对弱混合角的抽取，我们也给出了相关结果，初步精度与D0实验组的结果相当，目前形成了合作组内部的工作笔记ATL-COM-PHYS-2017-1541，等待合作组审核。. 此外，根据分析的进展和LHC实际运行情况，我们利用Run2约139/fb的数据对双矢量玻色子WZ过程进行了研究，末态包含3个轻子。通过该过程我们对可能的新共振态粒子进行了寻找，结果并未发现对标准模型预期的明显超出，因此基于相关模型给出了可能新物理的产生截面上限，结果已被EPJC接收。