在大型强子对撞机LHC上利用同电荷轻子对末态来测量HWW耦合常数并寻找新物理

Astrophysical observations provide compelling evidence for existence of physics phenomena beyond the Standard Model (SM). We also know from neutrino oscillations that the SM must be extended to include non-zero neutrino masses. A theoretically well motivated class of SM extensions postulates that there exist additional heavy neutrinos; with this assumption, these models can explain smallness of neutrino masses, matter-antimatter asymmetry, and dark matter. The first element of my proposed programme will search for heavy neutrinos at the LHC using proton-proton collisions at 13 TeV centre-of-mass energy recorded by the ATLAS experiment in 2015-2018. I will focus on final states containing a pair of same sign leptons and a pair of particle jets. These final states are sensitive to Majorana nature of the heavy neutrino and they allow significant reduction of background events. I will design and employ novel analysis methods to extend sensitivity of previous ATLAS searches for heavy neutrinos. The second element of my programme will aim to measure for a first time associated production of the Higgs boson with a W boson (WH). This process is directly sensitive to the tree-level HWW coupling, providing an unique probe into exact nature of the electroweak symmetry breaking. When the Higgs boson decays to a pair of W bosons, the WH process produces three W bosons that can decay to a pair of same sign leptons, so similar analysis methods will be used for the two proposed analyses. The WH analysis will improve our understanding of the electroweak symmetry breaking, and either of the proposed projects may find evidence of new physics phenomena.

目前仍有许多观测现象无法用现有的标准模型解释，例如，由大量宇宙学观测而佐证存在的暗物质及暗能量，以及实验上观测到的中微子振荡和由此表明的中微子的非零质量。本申报课题的第一个子项即是利用LHC上ATLAS探测器在2015到2018年取得的13TeV质子质子对撞数据来寻找重中微子的迹象。该项研究将在含有一对同电荷轻子以及一对强子喷注的实验末态展开，该末态对寻找具有马约拉纳费米子特性的重中微子有很好的灵敏度，同时可以很好的压低本底过程。本课题的第二个子项为，利用同样的对撞数据在ATLAS实验中通过Higgs到WW的衰变道，首次观测到Higgs玻色子和W玻色子的伴随产生过程（WH）。研究小组将利用与第一个子项相同的实验末态来测量WH过程。对WH过程的观测也极具物理意义，因为该过程对HWW耦合有很好的灵敏度，提供了一个重要的途径来深究电弱理论中的对称性自发破缺机制，并在此方向寻找新物理。

一类在理论上动机良好的标准模型扩展理论假设存在额外的重中微子。这类模型可以同时解释中微子的小质量，物质-反物质不对称以及暗物质，非常有趣。我的研究项目利用在大型强子对撞机上ATLAS实验采集的质心能量为13 TeV的质子-质子对撞对重中微子进行了寻找。我们小组主要关注末态包含一对带电轻子(电子和μ子)和一对喷流的事例。因为包含这些末态的事例不仅对假设的重中微子的马约拉纳性质很敏感并且还可以显著减少背景事例。与以往ATLAS进行的研究相比，我们设计了新的分析方法来提高寻找重中微子的灵敏度。该项目的第二个部分主要是对希格斯的矢量玻色子伴随产生过程进行了初步测量。这一过程对HWW的耦合非常敏感，因此，该研究可用一种独特的方式探究电弱对称破缺机制的性质。当希格斯玻色子衰变为一对W玻色子时，WH过程会产生三个W玻色子，它们可以衰变为一对同性带电轻子，因此对希格斯粒子衰变到2个W玻色子和2个Z玻色子使用了相似的分析方法。WH分析通过直接探测希格斯玻色子与W和Z玻色子的耦合，提高了我们对电弱对称破缺机制的理解。为了进行这一研究，我们还发明了一种机器学习的方法来压低由于喷柱被误判为轻子而进入我们信号区间的主要本底。.本项目还开发了一种快速、紧凑的基于FPGA实现的神经网络。该技术成果的实现将FPGA资源的利用率降低了四分之一，因此该技术可应用在未来ATLAS触发系统的升级中。ATLAS合作组要求每个成员都对ATLAS探测器的运行和维护做出贡献，为满足这些要求，本研究项目的成员对RPC探测器性能进行了测量。总的来说，该项目一共发表四篇期刊论文，一篇初步报告，并在国际会议上作了一些受邀报告。