ATLAS实验物理研究进展 和今后五年需求汇报 金 山 代表ATLAS中国组 合肥，2015年12月19日

报告内容 2011-2015成果：亮点和总结 今后五年研究计划 今后五年经费需求 LHC Run2 物理分析 Phase I、Phase II升级 今后五年经费需求 物理分析和探测器升级总需求 申请方式（经费支持的可能方式）

ATLAS 中国组 （ATLAS Chinese Cluster） 六个单位组成（按英文字母排序）: Institute of High Energy Physics (高能所) 金山（万人、杰青）、娄辛丑（千人）、庄胥爱（百人）、方亚泉（青千）、朱宏博（青千）、黄燕萍（青千）、梁志军（百人）、史欣（青千）、Joao Costa （外专千人）、吕峰、单连友、徐达 Nanjing University (南大) 陈申见、祁鸣 Shandong University (山大) 张学尧、马连良（青千）、冯存峰、祝成光 Shanghai Jiao Tong University （上海交大） 杨海军（青千）、李亮（青千）、郭军（青千）、杨勇（青千） Tsinghua University （清华） 陈新（青千）、周宁（青千） University of Science and Technology of China (科大) 赵政国（院士、千人）、韩良（杰青、百人）、蒋一、刘衍文、刘建北（青千）、彭海平（优青、百人）、朱莹春、刘明辉

各类人才经费的支持大幅提高了物理分析实际研究经费的投入！ ATLAS中国组队伍具有很强的竞争力 目前研究队伍中包括院士、中组部万人计划和各类千人计划、中科院百人计划、基金委杰青和优青共20名。 其中近几年引进千人A，青千和百人计划18名，使得我们队伍的实力有很大提高。 各类人才经费的支持大幅提高了物理分析实际研究经费的投入！

ATLAS中国组取得丰硕物理成果 （有直接贡献的物理分析40多个，发表文章或conf-note 60多篇） Higgs 粒子寻找和性质研究 在H  gg, ZZ, WW, Zg，bb中寻找Higgs粒子和性质研究 ttH，WH 测量 SUSY 超对称粒子和奇特粒子（exotics）寻找 在双tau末态中寻找stau等SUSY粒子 在含soft-lepton末态中寻找SUSY粒子 R宇称破坏的 em 共振态寻找 激发态夸克等奇特粒子寻找。。。 标准模型物理 单玻色子和双玻色子的产生截面测量 Top 夸克物理 单 top 产生截面的测量 Top 对产生截面的测量 W 极化和top自旋关联测量

ATLAS发现Higgs粒子: Hgg, ZZ*,WW* 高能物理领域近30年最重要的发现！

ATLAS中国组在2012年发现Higgs粒子中 做出直接贡献 在 H  gg 中的贡献 光子触发效率的测量，中国组成员担任触发联系人；光子 效率测量和研究；本底成分分析； 发展了二维光子孤立能量拟合方法研究各种本底成分 在 H  ZZ 中的贡献 Z+jet本底估计；事例选择优化；给出了信号事例的事例显示图。 在 HWW 中的贡献 建立了新的方法从数据中得到top对的本底； 对丢失横能量进行修正。

高能所博士生袁丽和科大博士生刘坤因为在H  gg 中的贡献分别获得 “2013年中法粒子联合实验室最佳博士论文奖” “2014年ATLAS合作组优秀博士论文奖” 充分显示了对中国组在Higgs粒子发现中贡献的认可。

ATLAS 实验 Higgs粒子性质研究全景 Channel γγ ★ ★ ★ ZZ*(4l) WW*(lνlν) ττ bb Zγ μμ invisible ★★ Mass CP X-sec. Width ★ ★ ★★ ★ ★ ATLAS进行的分析 ★中国组贡献的分析 中国组广泛深入地参与了ATLAS实验的 Higgs 粒子 性质测量研究。 9

Higgs (I): Higgs粒子产生的微分截面测量 LHC上首次测量，Model Independent Measurement. 该成果在ICHEP 2014国际大会上得到热烈反响。 中国组在ATLAS合作组内率先开展了该项研究并发挥主导作用。 已正式发表JHEP09(2014)112 与HZZ联合结果也已发表 PRL 115, 091801(2015) 10

Higgs (II): HWW*过程的研究 中国组多个单位在该课题研究中做出主要贡献，特别是MET研究，top本底研究等。 在该衰变到中独立观测到Higgs粒子对验证是否为标准模型Higgs粒子至关重要。 还利用该过程间接测量了Higgs粒子宽度的上限，中国组发挥主导作用。 多篇文章已发表于PRD、EPJC等。

首次观测到Higgs与费米子直接耦合的证据 Higgs (III): Htau tau 信号显著性 4.5s (8+7 TeV) 首次观测到Higgs与费米子直接耦合的证据 中国组做出主要贡献

Higgs (IV): H  Zg 稀有衰变过程寻找 PLB 732(2014) 8-27 寻找Zgamma稀有衰变。 数据中没有信号存在的迹象。测量截面*分支比的上限。 中国组在该分析中发挥主导作用, 刘坤获得ATLAS合作组优秀博士论文奖 13

SUSY (I)：双tau末态SUSY粒子stau的寻找 / 9 5 % C L i m t o n 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ATLAS Internal =8 TeV , -1 L dt=20.3 fb ò 1 c ~ - + ® = 0 GeV ) exp ± Expected limit ( SUSY theory Observed limit ( =20 GeV =40 GeV [GeV] R 100 150 200 250 300 =60 GeV =80 GeV =100 GeV 这是中国组提出的原创性课题，并主导完成了该课题的全部分析。 文章已正式发表在JHEP10(2014)096 首次在LHC 实验上测量了 stau pair 产生截面的上限 该成果被作为 highlight 包括在2014年第11届 ICFA seminar大会由Prof. Joachim Mnich最后给的大会总结报告中。 14

SUSY (II): one soft lepton SUSY寻找 强SUSY产生过程，产生截面很大， 是RUN-1数据的重要课题。末态含一 个软轻子，对compressed SUSY比 较敏感 其研究结果已经被JHEP接受 (arXiv:1501.03555) 中国组成员是该分析的editor并给 approval报告，做了主导贡献 15

寻找轻子数不守恒现象 e- Z’, … m+ 中国组一直主导该分析，通过寻找不同味的双轻子衰变道研究新物理：em, et, mt 研究不同的新物理模型(Z’,QBH,Scalar t … ), 共振或非共振现象 已发表多篇文章。

标准模型（SM）检验 中国组在以上各项测量中都做出了主要贡献 17

SM (I): Z4l 截面和分支比精确测量 中国组提出原创性建议 BR(meas.)=3.20±0.25±0.13×10-6 中国组和美国密歇根大学等单位一起 作为主导力量推动整个分析，精确测量和检验了 标准模型稀有衰变Z4l的分支比和产生截面。 论文发表：PRL 112, 231806(2014) BR(meas.)=3.20±0.25±0.13×10-6 BR(SM NLO)=3.33±0.01×10-6

SM(II): 首次观测到同号WW产生信号 PRL 113(2014) 141803 (Editor’s suggestion) PRL Editors’ suggestion文章 中国组主导了该分析

top (I): top 自旋关联测量 中国组主导了该分析 The measured distribution of cos1cos2 in tt events is unfolded to parton level, so as to be able to compare with the SM formula (on right). 结果与标准模型一致

top (II): 观测到单个top Wt产生过程的证据 中国组主导了该项分析 - Boosted Decision Tree classifiers training for 1-jet (SR) and 2-jet (CR) events. - Maximum likelihood fit to both BDT outputs simultaneously. Significance: computed in a log-likelihood-ratio test Observed （expected) Significance= 4.2(4.0)σ 21 21

最新成果：ATLAS Run-2 13TeV 首批数据分析 Higgs 截面的测量是ATLAS 2015年新取数据(Run-2) 首个Higgs物理测量结果 中国组成员代表H→γγ 研究组给了Run-2数据第一个Higgs 物理结果批准报告 （充分显示中国组在ATLAS Higgs组所 作出了主要贡献）。 22

2011-2015物理分析成果总结 ATLAS中国组在二十多个分析成果中做出了主导或主要贡献（editors 或approval talks）。 在另外的约四十篇文章或conf-note中做出直接贡献。 代表ATLAS合作组国际会议报告50多个。

在ATLAS合作组内的显示度 大幅度提高 金山（高能所）、赵政国（科大）和庄胥爱（高能所）分别于 2010-2012、2012-2014、2016-2018担任ATLAS合作组委员会顾问组成员，负责ATLAS Spokesperson的遴选和各种ATLAS奖项的评选 科大徐来林和刘坤分别获得首届 ATLAS PhD Grant 和 2014 ATLAS Excellent PhD Thesis Prize 高能所庄胥爱2015年被任命为ATLAS合作组EW SUSY物理组召集人 金山2015年被推选为ATLAS 合作组执行委员会委员 （EB member）。

今后五年研究计划

LHC Run2 物理分析 Higgs粒子被发现后，LHC实验的研究重点为精确测量Higgs粒子的性质和寻找超出标准模型的新物理。 保持中国组已有的优势课题，力争在更多的热点课题中做出主导或主要贡献（editors 或 approval talks） 研究重点： 全面参与Higgs粒子性质研究，包括质量、宽度、自旋、耦合和产生等。保持在主导课题中的地位。 保持中国组在EW SUSY弱电超对称、RPV SUSY研究课题中的主导优势地位，开展更多的SUSY、Exotics等各种新粒子寻找研究。 开展更多的top、SM末态的测量，保持中国组在SM测量中的主导地位。

加强LHC-run 2物理分析的投入 LHC已实现人类历史上最高能量的13TeV对撞！ 中国组队伍的实力已有大幅度提高，完全有能力在更多的热点课题占据主导或主要地位。 应该加强Run 2物理分析投入，做出更大的贡献。

ATLAS Phase I NSW升级 已得到基金委经费的支持！ 核心贡献所占比例显著提高 Muon谱仪端盖系统升级: ATLAS Phase I升级首要任务(-2018年) New Small Wheel(NSW) 中国负责部分触发探测器制造、以及全部触发系统前端电子学系统研发与生产 核心贡献所占比例显著提高 已得到基金委经费的支持！

ATLAS Phase II 升级任务 承担Phase II升级任务是每个国家应尽的义务。 按照以往比例和M&O作者比例，中国组需承担的core contribution至少为300万瑞郎即约2000万人民币。 如果中国组不承担任何具体升级任务，需向ATLAS合作组缴纳至少2000万元现金。  中国组拟参与内部径迹探测器ITK硅探测器的升级掌握国际最前沿的尖端技术，逐渐培养一支硅探测器的专业队伍。

硅微条探测器模块 2014年按照预期的贡献份额，中国组需要承担建造约400个探测器模块（桶部或是端盖） 基准方案：平面硅微条传感器 + ASIC (IBM 130nm) 30

物理分析经费需求和支持方式 Phase II 升级经费需求 2016-2020经费需求 物理分析经费需求和支持方式 Phase II 升级经费需求

物理分析经费需求 总计 6560 科目 金额（万） 说明 （一）直接费 5608 1 设备费 850 计算机设备700，网络费150 2 材料费 20 计算机和打印机的耗材 3 燃料动力 计算设备耗电每年4万 4 国内差旅费 100 每年80人次，每次2500元 5 会议费 10 举办两次会议，每次5万 6国际交流与合作 2630 国外生活费2480万，参加国际会议每年15次，每次2万，5年150万 7出版费 8劳务费 924 博士后8人*8000元/月*12月*5=384万；研究生30人*3000元/月*12月*5=540万 9 其它 1044 M&O （29人，7.2万/人，5年） （二）间接费 952 （直接-设备）*20% 总计 6560 32

国外生活费说明 原则上，每人每年均需出国完成探测器运行维护和值班任务。 另一方面，赴CERN参加合作、进行面对面讨论，对提高工作效率、在激烈竞争中取得优势、提高显示度都非常重要。 基于以上考虑，每年拟派去CERN工作共需2480万元： 高级职称平均每年3个月/人，需支持2500*6.5*3+10000=58750元/人，5年28人共需5.9*28*5=824万元 中级职称+博士后平均6个月/人，需支持2000*6.5*6+10000=88000元，5年9人共需=8.8*9*5=396万元 学生平均每年6个月/人，每人每年需1900*6.5*6+10000=84100,30人5年共需8.4*30*5=1260万元

向科技部、基金委申请支持方式 拟向科技部和基金委各申请物理分析经费3280万元 希望由重大国际合作项目支持至少2000万元 年底基金委上期经费支持将结束，亟需得到下一期经费支持！ 希望由重大国际合作项目支持至少2000万元 单位数限制：3个？ATLAS现有6个单位，两支队伍？ 参加人员数限制：10人？ATLAS有30名骨干 其他由面上基金支持12人左右？（每年2-3个）

Phase II 升级所需经费~5000万元 前期预研经费 800万元 Core contribution 2000万元 前端电子学ASIC设计：200万（流片费用分摊150万，测试50万） CMOS硅探测器设计及测试：150万（流片费用分摊80万，加工及辐照等费用20万，研制测试设备50万) 硅探测器模块建造与测试：350万（传感器、前端电子学ASIC和复合PCB板等材料费200万，购置电气测试设备100万，辐照及测试等费用50万） 国际交流费：100万 （5万*4人/年*5年） Core contribution 2000万元 主要承担建造约400个探测器模块（桶部或是端盖）、少量 muon 升级任务，少量公共基金分摊 匹配经费 2200万元 包括实验室建设、仪器设备购置、测试、运输、人员 拟分别向科技部和基金委申请 Phase II 升级基金 2500万元

经费需求总结 ATLAS中国组下五年共需经费 11560万元，其中物理分析 6560万元，Phase II 升级 5000万元 拟分别向基金委和科技部各申请经费共5780万元 物理分析经费 3280万元，亟需！希望以重大国际合作、面上或重点基金的方式共同支持。 Phase II 升级经费 2500万元，其中 800万元前期预研经费需尽快获得支持。

总 结 在基金委、科技部和中科院长期支持下，ATLAS中国组在 ATLAS实验的很多重大或重要研究成果做出了主导或主要 贡献。 近几年，吸引了百人、各类千人18名加入，研究队伍实力和 在ATLAS实验的显示度大幅度提高，也充分显示了ATLAS 中国组具有非常强的研究活力。 我们有能力在Run-2实验数据分析中取得更多具有主导或主 要贡献的重要物理成果。 期待继续得到基金委、科技部和中科院领导以及全国同行的 大力支持！ 感谢各位领导和专家的长期大力支持！

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Higgs (I)：双光子末态Higgs粒子性质的测量 中国组在矢量玻色子融合（VBF）过程的研究中发挥主导作用。 利用MVA新方法进行光子能量刻度研究中做出重要贡献 文章已发表于 PRD 90 (2014) 112015 39

ATLAS Higgs (III): 重希格斯粒子A -> Zh 分析 搜寻Two-Higgs-Doublet Models (2HDM)中的CP-odd重希格斯粒子A->Zh的分析已经发表于PLB 744 (2015) 163-183 中国组组在其中作出了主要的贡献 统计上对于五个衰变道的整合 2HDM模型的物理解释，参数空间的约束 40 40

Higgs（III）：通过HZZ*4l寻找希格斯粒子 中国组在事例的选择和优化、Z+x 本底估计、 事例图形展示、采用BDT方法提高希格斯 自旋和宇称等性质的测量发挥重要重要 PRD 90, 052004 (2014), PRD 91, 012006 (2015) Phys. Lett. B726 (2013) 88-119, Phys. Lett. B726 (2013) 120-144 Phys. Lett. B716(2012)1-29 Best fit mass and signal strength: MH = 124.3±0.6(stat)±0.3(syst) GeV m = 1.43 + 0.4 (-0.35) Inv. Mass (M4m)= 125.1GeV 41

Exotics：Z伴随产生探测“invisible”暗物质 Higgs-portal模型下，轻暗物质候选粒子最严格的限制 中国组发挥主要作用 PRL112 (2014) 201802

寻找重夸克 ? T B 中国组成员作为联系人和撰稿人领导的物理分析项目：在ATLAS实验上寻找超出标准模型的重夸克 分析2012年采集的20 fb-1 的8TeV数据 最终衰变道：1个轻子（e,m）+ 多强子喷注 已经投稿PRD，预计将很快发表：http://arxiv.org/abs/1503.05425 43