高能对撞机实验与理论研究 - 粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室

高能对撞机实验与理论研究

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依托欧洲核子研究中心大型强子对撞机 LHC 的 ATLAS 实验，北京正负电子对撞机的 BESIII 实验和美国费米实验室的缪子 g-2 实验，研究基本粒子的质量起源和电弱相互作用对称性破缺机制、在高能量前沿寻找暗物质和其它超出标准模型的新物理。具体内容包括：

（1）利用 LHC/ATLAS 实验组在 Run2 期间积累的实验数据进行实验数据分析，期望在精确测量希格斯粒子的性质；寻找高质量区超标准模型 Higgs 粒子；寻找轻子数破坏的超对称 tau 中微子、Z’和 QBH 等共振态粒子；寻找新的共振态衰变为向量玻色子和希格斯粒子；寻找暗物质 WIMP 粒子等方面有所突破。

（2）参加 ATLAS 探测器的升级和开展 CEPC 量能器预研究。通过提高基于 RPC 的 muon 触发探测器的计数率、时间分辨和位置分辨等性能，在高亮度条件下显著提高 ATLAS 实验 muon 子的触发效率和 muon 动量的测量精度。结合高灵敏度前端电子学，开展窄气隙 RPC 研究，系统提高 RPC 的计数率、寿命和时间分辨；降低电木板体电阻率和厚度提高计数率；优化读出结构和读出方法提高位置分辨。通过宇宙线和束流测试确定性能，研制探测器性能测试电子学系统，研究大面积 RPC 的制作工艺和质量控制方法，掌握批量建造的制作工艺流程和质量控制方法。在上海交大实验室建立 RPC 测试和研发基地，试制探测器工程样机，掌握 RPC 批量制作的工艺流程和质量控制体系。

（3）利用缪子 g-2 实验对缪子反常磁动量进行精确测量。利用缪子 g-2 实验对缪子反常磁动量进行史上最精确的测量，从中寻找新粒子存在的证据，同时也计划对缪子电偶极矩展（Muon EDM）开精确测量研究并寻找超出标准模型的新物理。团队利用美国费米实验室建成的缪子园区（Muon Campus）开展对缪子自旋和磁矩特性的一系列研究。前期主要负责量能器的研发、设计、安装、调试以及探测器模拟和优化工作，特别是氟化铅晶体的测试和配备。中期负责缪子 g-2 实验数据库研发和维护，以及基于 GEANT 的 ART 数据框架的研发工作，重点对 OFFLINE 数据分析部分进行研发。后期在缪子 g-2 实验正式取数以后，研究团队将进行数据采集和分析工作，重点对缪子进动频率进行精确测量并进行系统误差和统计误差的分析，然后结合均匀磁场的精确测量结果给出缪子的反常磁动量精确测量值。在给出缪子反常磁动量精确测量结果后，进一步利用轨迹探测器的采集数据，测量缪子在垂直方向的运动轨迹，从而开展对缪子电偶极矩的测量研究。

（4）高能对撞机相关理论研究。团队理论与实验研究人员密切合作和交流。精确理论预言对于提升 LHC 探测新物理的灵敏度极为重要。我们的理论研究计划着重在非微扰输入以及硬散射微扰计算两方面来改进目前的理论结果。前者包括了质子的部分子分布函数以及部分子的碎裂函数的研究。计划通过结合实验测量的大数据分析以及大规模的格点QCD 模拟来精确确定这两部分非微扰输入。从而给出关于标准模型背景过程的精确预言以提升 LHC 特别是在高能区探测新物理的能力。在微扰计算方面我们将集中关注 LHC 上对新物理较为敏感而且实验精度很高的一些过程，例如 Higgs 玻色子以及顶夸克相关的产生和衰变过程。对于顶夸克相关的过程预计的实验测量精度将可以达到百分之几的水平。由此微扰 QCD 次次领头阶的计算特别是关于全微分截面的相应预言将极为重要。在高能区次领头阶电弱微扰修正的效应也很重要。此外计划在 QCD 有效理论框架内发展新的方法以用来计算 Higgs 玻色子产生的次次次领头阶全微分分布，这对于实验上精确抽取 Higgs 玻色子的耦合极有帮助。除了 LHC 之外，高能物理学界正在考虑未来的大型正负电子对撞机，甚至是能量更高的超大型强子对撞机。团队计划基于目前相关理论方法的发展以及 LHC的实验结果，系统地研究在未来对撞机上如何有效的寻找新物理。这对于未来高能对撞机以及探测器的设计具有一定的指导价值。