Автореферат (Измерение поляризационных угловых коэффициентов в процессах лептонного распада Z-бозона в эксперименте ATLAS на LHC)

на правах рукописиФедин Олег ЛьвовичИзмерение поляризационных угловых коэффициентов в процессахлептонного распада Z-бозона в эксперименте ATLAS на LHCСпециальность 01.04.23 � физика высоких энергийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукСанкт-Петербург2018Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики им. Б. П. КонстантиноваНационального исследовательского центра "Курчатовский институт".Официальные оппоненты:Баранов Сергей Павловичдоктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудник физическогоинститута им.

П. Н. Лебедева РАН, г Москва.Ющенко Олег Петровичдоктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудник института физикивысоких энергий им. А. А. ЛогуноваНационального исследовательского центра�Курчатовский институт�, г Протвино.Просин Василий Владимировичдоктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудникнаучно-исследовательского институтаядерной физики им. Д.

В. Скобельцина,Московского государственного университета, г. МоскваВедущая организация:Институт ядерных исследований РАН, г. Москваиюня2018 г. в 11:00 часов на заседании дисЗащита состоится " 21 "сертационного совета Д 212.232.16 при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199004, Россия, Санкт-Петербург, Средний проспект В.

О., д. 41/43,Институт наук о Земле, ауд. 304.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте СПбГУ, http://disser.spb.ru.Автореферат разослан ""2018 г.Ученый секретарьдиссертационного советаВласников Александр Константинович2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Сегодня можно смело утверждать, что открытие бозона Хиггсана ускорителе LHC оправдало его неофициальное название «машины открытий».

Однако коллайдер LHC иногда ещё называют «фабрикой» W- и Z-бозонов. Действительно,при энергии столкновений протонов в системе центра масс 8 ТэВ на коллайдере LHC вэксперименте ATLAS на 1 фбн−1 набранной интегральной светимости регистрируется1порядка ∼ 4×106 распадов W → eνe , µνµ и порядка ∼ 4×105 распадов Z → e+ e− , µ+ µ− .В 2010–2012 годах ускоритель LHC работал постоянно увеличивая светимость, достигнув максимальной светимости ∼ 7, 7×1033 см−2 с−1 . Это позволило эксперименту ATLASнабрать полную интегральную светимость ∼ 25 фб−1 и зарегистрировать ∼ 10 × 106 Zбозонов и ∼ 100 × 106 W-бозонов. Для примера, на четырех детекторах, работавшихв 90-х годах на электрон-позитронном коллайдере LEP (ALEPH, DELPHI, OPAL, L3),было зарегистрировано всего около 20×106 Z-бозонов и 2 × 105 пар W+ W− бозонов.Существует ряд причин, по которым следует изучать электрослабые процессы наускорителе LHC.

Во-первых, лептонные распады W- и Z-бозонов имеют простую сигнатуру. При распаде Z-бозона в конечном состоянии образуются два изолированныхлептона, а в случае распада W-бозона – один изолированный лептон и нейтрино, которое не регистрируется детектором, вследствии чего в нем наблюдается недостающаяэнергия. Такая простая сигнатура событий обеспечивает высокую эффективность регистрации W- и Z-бозонов наряду с сильным подавлением фона, возникающего вследствиирождения адронных струй.

Большая накопленная статистика распадов W- и Z-бозоновв лептоны позволяет использовать эти процессы для количественных оценок качестваработы детектора: калибровки детектора, измерения эффективностей реконструкции иидентификации лептонов (электронов и мюонов), изучения энергетического разрешения детектора и т. д. Однако, что более важно, такая большая статистика может бытьиспользована для измерения характеристик электрослабых процессов с высокой точностью.Увеличение точности измерения полных инклюзивных сечений рождения W- и Z-бозонов и сравнение их измеренных значений с теоретическими вычислениями, которыев настоящее время выполняются в NNLO (англ., Next-to-Next Leading Order) приближении с точностью ∼ 1%, позволяет не только проверять теоретические расчеты, но истимулирует дальнейшее развитие вычислений в рамках пертурбативной КХД теории.Кроме того, такие расчеты включают петлевые диаграммы, что позволяет извлекать информацию об еще не открытых частицах, как это было сделано, например, для t-кварка.Как хорошо известно, величина массы t-кварка была оценена из анализа радиационныхпетлевых поправок и данных, полученных на ускорителях LEP и SLC.

Затем, спустя1Цифры приведены с учетом аксептанса детектора и эффективности регистрации.3некоторое время, он был открыт на ускорителе Tevatron на установках CDF и D0.Описание жестких процессов в адронных взаимодействиях выполняется в рамкахпартонной модели КХД, которая сводит их к партон-партонным взаимодействиям, используя формализм партонных распределений. Наличие «жесткого» масштаба позволяет применять пертурбативную теорию КХД. Функции распределения партонов (ПФР),описывающие фрагментацию адронов, имеют непертурбативную природу.

Сечения жестких инклюзивных процессов при этом записываются в виде сверток квадратов матричных элементов жесткого процесса, вычисленных в рамках пертурбативной КХД, спартонными распределениями соударяющихся адронов. Теорема факторизации обеспечивает возможность отделения (факторизации) пертурбативной части от существеннонепертурбативной. Последняя является универсальной в том смысле, что может бытьизмерена в одном процессе и использоваться для изучения других процессов.После оригинальных работ Дрелла и Яна2 реакции типа h1 + h2 → V + X, где V=Z,W или γ ∗ , привлекли огромное теоретическое внимание и получили основополагающее значение для экспериментальной физики высоких энергий.

Краеугольным камнемдля теоретической интерпретации этой реакции является вышеизложенная гипотеза офакторизации, которая позволяет вычислить сечение этого процесса в виде сверткифункций распределения партонов в сталкивающихся адронах и соответствующего партонного сечения. Факторизация и независимость процесса от ПФР позволяет получатьдля процессов Дрелла – Яна результаты, не зависящие от свободных параметров.Теоретические исследования процессов Дрелла – Яна имеют долгую историю. Этоодин из немногих процессов в физике высоких энергий, где наиболее популярный итехнически простой подход – коллинеарное приближение КХД, основанный на хорошоизвестной коллинеарной теореме о факторизации, был строго доказан. В коллинеарном приближении считается, что все участвующие в процессе взаимодействия частицынаходятся на массовой поверхности, а их поперечные импульсы малы.

Таким образом,вкладом поперечных импульсов в матричные элементы КХД пренебрегают, так же, какэто делается в приближении Вейцзеккера-Вильямса в квантовой электродинамике. Используя этот подход, сперва были вычислены инклюзивные сечения в NLO (англ., NextLeading Order) приближении пертурбативной теории КХД, а затем и в NNLO (англ.,Next-to-Next Leading Order) приближении.

Недавно стали доступны результаты вычислений в NNLO приближении полностью эксклюзивных сечений процессов Дрелла – Яна,включая лептонный распад Z-бозона. Результаты этих расчетов хорошо согласуются сэкспериментальными результатами, полученными на ускорителе Tevatron и LHC. Какизвестно, пертурбативные расчеты в коллинеарном приближении КХД расходятся прималых поперечных импульсах лептонной пары. Поэтому для вычислений в этой области была разработана специальная техника ресуммирования. Ресуммирование мягких2Drell S.

D., Yan T.-M. // Phys. Rev. Lett. — 1970. — June. — Vol. 25. — P. 3164глюонов выполняется либо в поперечном импульсном пространстве, либо в пространствесопряженных прицельных параметров. Обычно вычисления в фиксированных порядкахтеории возмущений комбинируют с аналитическим ресумированием.Для расчета сечений жестких процессов при энергиях ускорителя LHC необходимыне только вычисления в более высоких порядках теории КХД, но и знание структурыпротона, которая описывается функциями распределения партонов. Функция распределения партона определяется как функция плотности вероятности найти в некоторыйфиксированный момент времени партон (кварк или глюон) данного аромата, которыйнесет долю импульса адрона х.

ПФР являются непертурбативными величинами, которые описывают соотношения между адроном и кварками и глюонами внутри него.ПФР являются универсальными, то есть не зависят от деталей процесса рассеяния, изкоторого они извлекаются.Значительные экспериментальные и теоретические усилия были предприняты по извлечению ПФР. С экспериментальной стороны огромное количество данных, чувствительных к ПФР, было накоплено, начиная с низких энергий в экспериментах на фиксированных мишенях, до данных, полученных на LHC. В основном плотности распределения партонов были получены из данных, измеренных в экспериментах по глубоконеупругому рассеянию электронов на протонах на ускорителе HERA, используя КХДрасчеты и уравнения эволюции партонных плотностей DGLAP3 .

С другой стороны, дифференциальные сечения лептонных распадов W- и Z-бозонов, например, dσ/dy, где y —быстрота бозона, очень чувствительны к плотности распределения партонов. Сравниваяизмеренные дифференциальные сечения с рассчитанными, можно не только проверитьпертурбативные расчеты КХД, но и прямо измерить партонные плотности при большихпереданных импульсах Q2 и малых х, которые достижимы на ускорителе LHC. Тесноесотрудничество между экспериментальными и теоретическими группами позволило получить большой набор ПФР из КХД анализа всех накопленных данных. Было продемонстрировано превосходное согласие данных и теории нарушения скейлинга ПФР, чтостало одним из самых строгих тестов для КХД как теории сильного взаимодействия.Обычно ПФР рассматриваются как одномерные функции распределения импульсовпартонов. Однако теоретический прогресс, произошедший в последние годы, позволилиспользовать КХД факторизацию для динамического описания трехмерного ограниченного движения кварков и глюонов в быстро двигающемся адроне, а также для извлечения их поперечных пространственных распределений.

В этом случае распределениекварков и адронов в пространстве описываются обобщенными функциями партонныхраспределений (ОПФР), которые можно определить из эксклюзивных процессов с помощью коллинеарной КХД факторизации для эксклюзивного дифракционного рассеяния.Наряду с ОПФР, для описания трехмерного движения кварков и глюонов в адроне3По именам Докшицер – Грибов – Липатов – Альтарелли – Паризи.5используются более современные ПФР, зависящие от поперечных импульсов партонов(англ., Transverse Momentum Dependent PDFs, TMDs).