ATLAS实验物理研究进展 和今后五年需求汇报

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1 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

2 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）

3 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

4 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！

5 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

6 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！

7 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。

8 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。

9 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

10 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, (2015) 10

11 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。

12 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

13 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

14 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

15 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: ) 中国组成员是该分析的editor并给 approval报告，做了主导贡献 15

16 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。

17 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

18 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, (2014) BR(meas.)=3.20±0.25±0.13×10-6 BR(SM NLO)=3.33±0.01×10-6

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

20 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

21 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

22 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

23 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。

24 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 、 、 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）。

25 今后五年研究计划

26 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。

27 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。

28 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！

29 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。

30 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

31 物理分析经费需求和支持方式 Phase II 升级经费需求
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

32 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

33 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* =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* =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* =84100,30人5年共需8.4*30*5=1260万元

34 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）

35 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

36 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。

37 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！

38 backup

39 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) 39

40 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) 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

41 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, (2014), PRD 91, (2015) Phys. Lett. B726 (2013) , Phys. Lett. B726 (2013) Phys. Lett. B716(2012)1-29 Best fit mass and signal strength: MH = 124.3±0.6(stat)±0.3(syst) GeV m = (-0.35) Inv. Mass (M4m)= 125.1GeV 41

42 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)

43 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： 43