高能对撞机上喷注物理的唯象学研究

Since the CERN Large Hadron Collider (LHC) has started collecting data in 2010, the high energy physics research has entered the new era. However, the high energy and high luminosity of the LHC have led to some new problems. At the LHC some of the heavy particles, e.g. weak interaction vector bosons and top quark, can be generated with large boost, which makes the decay particles cannot separate each other enough before they encounter the detectors. This behavior will make the heavy particle looks like jet object, called heavy particle jet, and will make the new physics search complicated at the LHC. Therefore, it is very important to fully understand the jet mechanics and by investigating the jet substructure one can distinguish different jet sources. In this project, we will propose the heavy particle jet function based on the perturbative QCD theory, and derive the QCD resummation formalism for the heavry particle jet substructure observables. Also we will investigate the theoretical uncertainties from jet algorithm, energy scale, high order anomalous dimension and parton distribution function. Meanwhile, by using Monte Carlo event generators, we will devote to find new substructure observables for both QCD jet and heavy particle jet. The new jet substructure observables can suppress the background rate, and increase the efficiency for new physics search.

随着2010年欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）的投入运行，高能物理的研究进入了崭新的能量区域。然而LHC极高的对撞能量和亮度带来了新问题：以弱规范玻色子和顶夸克为代表的重粒子在LHC上有一定几率会具有很高的横向运动速度，这使得其衰变产物在到达探测器之前不能有效分离，从而形成重粒子喷注，这会给LHC的新物理探寻造成困难，因此在LHC上深入理解喷注的形成机制并通过其内部子结构区分不同的喷注源非常重要。本项目将在微扰量子色动力学（pQCD）的理论框架下以QCD喷注函数为基础提出重粒子喷注函数，并分析重粒子喷注内部子结构观测量的QCD重求和效应，精确分析QCD喷注和重粒子喷注内部子结构观测量唯象学预言对喷注构造方案、相互作用能量标度、高阶反常量纲以及部分子分布函数的依赖性。同时，以蒙特卡罗事例生成器为工具寻找能够有效压低标准模型背景事例并提高新物理探寻效率的新的喷注内部子结构观测量。

本项目的研究工作主要围绕高能对撞机上喷柱物理的相关问题。首先，我们通过QCD喷柱的内部结构观测量，我们利用蒙特卡罗事例生成器，通过模拟的方法对强子对撞机上Higgs对产生过程进行了深入分析，我们发现在其衰变产物中的喷柱行为有助于有效提高LHC和未来100TeV质子对撞机上Higgs对产生信号的信噪比。此外，我们在国际上首次从第一原理的微扰QCD理论出发提出重粒子喷柱的因子化表达式，解决了其内部理论自洽性的问题，同时以Higgs喷柱和W/Z喷柱为例，对喷柱内部能量分布相关的观测量进行了分析，并与PYTHIA事例生成器的预言进行了比较，这项工作将有助于Higgs粒子相关特性的分析。另外，我们有效的改善了高圈费曼积分的数值积分方法，此方法有足够的普适性，并可以应用在喷柱相关的高阶辐射修正效应的研究中。