Transcript ATLAS 童国梁 中国联合组 （中科院高能所，山东大学，南京大学，中国科技大学）

ATLAS实验和中国组的工作
童国梁
中国联合组
（中科院高能所，山东大学，南京大学，中国科技大学）
童国梁,桂林,2006.10.28-11.1
高能物理学会第七届全国
会员代表大会暨学术年会
1
内容：
1. LHC 计划及其进展现状
1.)LHC计划主要特点
2.)加速器
3.) 探测器
4.) Grid-LCG
2. 中国联合组的工作
1.) 探测器建造
2.) 物理分析的准备
3. 总结
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超级强子对撞机（LHC）及其实验计划
在CERN建造的LHC是当今世界上能量最高的加速器，现计划于2008年年中在14TeV对
撞能量下运行
LHC 主要设计指标
物理运行开始时间
粒子对撞模式
2008年6月底
p-p
Pb-Pb
最大束流能量（TeV） 7.0
2 1
（
cm
s ）
1.0 1034
亮度
（10 3）
0.1
能散
2.76(TeV/u)
束流长度(cm)
7.5
7.5
束流半径(mm)
16 10 3
亮度寿命(hr)
10
每个束团粒子数
周长(km)
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0.1
16 10 3
6.7
加速周期(s)
注入能量(GeV)
2  10 27
1200
450.0
10.5  1010
177.4/u
9.4 107
26.659
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3
LHC
pp
• s = 14 TeV
(7 times higher than Tevatron/Fermilab)
 search for new massive particles up to m ~ 5 TeV
• Ldesign = 1034 cm-2 s-1
(>102 higher than Tevatron/Fermilab)
 search for rare processes with small s (N = Ls )
ATLAS and CMS :
pp, general purpose
27 km ring used for
e+e- LEP machine
in 1989-2000
ALICE :
heavy ions
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Start : Summer 2008
LHCb :
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pp, B-physics
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Event rate in ATLAS :
N = L x s (pp)  109 interactions/s
Mostly soft ( low pT ) events
Interesting hard (high-pT ) events are rare
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 very powerful
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detectors needed
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ATLAS/CMS物理目标
寻找质量范围在115 < mH < 1000 GeV的标准模型预言的Higgs 波色子
寻找直到TeV质量的标准模型以上的物理(超对称性，q/ compositeness,
leptoquarks, W’/Z’, heavy q/, Extra-dimensions, ….)
精密测量 :
-- W 质量
-- top质量, 耦合和衰变性质
-- Higgs 质量, 自旋, 耦合 (如果Higgs粒子被找到的话)
-- B-physics (作为LHCb补充): CP 破坏, 稀有衰变, B0 振荡
-- QCD 喷注截面和 as
-- etc. ….
在高密度下研究从强子物质到解囚禁夸克和胶子等离子体的相变（作为
ALICE的补充）
Etc. etc. …..
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这些物理目标是LHC实验计划最感兴趣的部分
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以ATLAS/CMS实验为例，Which physics the first year(s) ?
Expected event rates at production in ATLAS at L = 1033 cm-2 s-1
Process
Events/s
Events for 10 fb-1
Total statistics collected
at previous machines by ‘07
W e
15
108
104 LEP / 107 Tevatron
Z ee
1.5
107
107 LEP
1
107
104 Tevatron
tt
bb
106
H m=130 GeV
0.02
1012 – 1013
105
109 Belle/BaBar ?
?
g~g~
Already in first year, large statistics expected from:
-- known SM processes  understand detector and physics at s = 14 TeV
-- several New Physics scenarios
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H  ZZ(*)  4
Search for the Higgs boson
比较乐观
ATLAS
~ 4 years
~1 year
~3 years
5s  discovery
present
limit
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寻找超对称粒子和暗物质
This particle (neutralino) is a good candidate
for the universe dark matter
ATLAS discovery reach
Time
1 month
1 year
3 years
ultimate
reach in squark/gluino mass
~ 1.3 TeV
~ 1.8 TeV
~ 2.5 TeV
up to ~ 3 TeV
Neutralino mass can be measured to 10%  SUSY discovery and neutralino
mass measurement at LHC can solve problem of universe cold dark matter
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The 1000th cryomagnet was
installed in the tunnel on 5th
September (out of 1746 total)
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The Dash Board for the dipoles
(1232 total in LHC) on 31st August
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LHC Schedule
• A CRAG (Commissioning and Running Advisory Group) meeting was convened on 1st
September, with participation of all its members (J Engelen, L Evans, S Myers, M Della
Negra, T Nakada, J Schukraft, Peter Jenni, M Ferro-Luzzi, and M Mangano)
• L Evans confirmed the June LHC installation schedule, being very confident that the recent
months have shown that the milestones will be reached
• S Myers was cautious, but commented that it is realistic to plan for a couple of weeks of 900
GeV collisions in 2007
• The plan is to have the machine on open access January-March 2008, and have then the
experiments closed again on 1st April 2008, followed by a few (~3) weeks of controlled access
• The working schedule has then as target date for first 14 TeV collisions the last week of June
2008 (obviously not a hard date)
• The experiments were asked to present at the next CRAG (no date yet, maybe early October)
their wishes for the 2007 run
Note: S Myers has accepted to give a presentation on Friday morning
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ATLAS Collaboration
(As of the September 2006)
35 Countries
161 Institutions
1830 Scientific Authors total
(1470 with a PhD, for M&O share)
New application (CB decision on Friday)
FH Wiener Neustadt, Nagoya, Regina
Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku,
IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, HU Berlin, Bern, Birmingham, Bologna, Bonn, Boston, Brandeis,
Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Buenos Aires, Bucharest, Cambridge, Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago,
Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, AGH UST Cracow, IFJ PAN Cracow, DESY, Dortmund,
TU Dresden, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Giessen, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard,
Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, UN
La Plata, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester,
Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, McGill
Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU,
MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, New Mexico, New York, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, Oklahoma SU,
Oregon, LAL Orsay, Osaka, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague,
CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III,
Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, SLAC,
Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH高能物理学会第七届全国
Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo
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ICEPP, Tokyo MU, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine,会员代表大会暨学术年会
Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Washington,12Weizmann
Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan
Detector
ATLAS superimposed to
the 5 floors of building 40
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TRT+SCT barrel travelled to the pit, 24th Aug 2006
A tight fit between BT and EC Calorimeter
Through the parking area
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From the trolley to the support rails
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Inside cryostat
Event display from the first LAr + Tile Calorimeter barrel cosmics run
Correlation between
LAr Middle & Front layer
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One more view of the first installed TGC Big Wheel
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ATLAS was honoured last week by a
visit of Stephen Hawking
Simulation of a mini black hole
event
with MBH ~ 8 TeV in ATLAS
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LHC实验的计算环境－LCG（Grid）
Computing MoU will signed soon
CERN Tier0 Serves for ALICE,ATLAS,CMS and LHCb
Tier-1 center
ASCC
（台北）
CNAF
（意大利）
PIC
（西班牙）
ALICE
X
ATLAS
CMS
LHCb
X
X
X
X
X
X
X
X
CC-IN2P3 （法国）
X
X
X
X
GridKA
（德国）
X
X
X
X
RAL
（英国）
X
X
X
X
BNL
（美国）
FNAL
（美国）
X
X
TRIUMF （加拿大）
X
NIKHEF/SARA（荷兰）
X
X
NORDIC DATA GRID （北欧）
X
X
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X
X
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Tier2 Center
包括中国在内的28个地点承诺建立Tier2 计算中心：其
中中国北京1个(覆盖ATLAS和CMS），捷克1个，法国2个，
德国4个，印度2个（1个为CMS，另1个为Alice），意大利
1个，日本1个，巴基斯坦1个，波兰1个，俄国1个、西班牙
3个，瑞士1个，台北1个，英国4个，美国4个。
No Computing, No physics
我国将由基金委/科技部签署这份谅解备忘录。与好
多其他国家一样，中国的Tier 2将覆盖LHC 上的ATLAS和
CMS两个实验。与其他Tier 2 区域计算中心一样，我国的
Tier 2也需要挂靠某一个Tier1 计算中心，法国里昂IN2P3
和 CERN为首先考虑点。
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LHC 实验 Status
Machine，Detector and
Computing
Will be all ready for the Physics
Run follow the LHC
Schedule!
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中国科学家参加ATLAS合作实验情况
• ATLAS
•
1999年11月，以国家自然科学基金委员会CERN科
学家签订了参加ATLAS合作实验的谅解备忘录，宣布我
国正式参加ATLAS国际合作实验计划。
•
中科院高能所、南京大学、山东大学和中国
科技大学以Chinese Cluster名义参加ATLAS合作实验；
• 中国的ATLAS和CMS合作项目受国家自然科学基金委、
科技部和中国科学院的经费支持。
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21
•
•
•
•
中国组在MoU的承诺：
参加强子量能器端盖部分的建造
32 BEE型 MDT 探测器的建造以及TGC 电子学
340 kCHF 公共基金以及100KCHF 的直到2003年8年会员
费（现金）
ATLAS合作组承认的中国组的贡献：1 MCHF
为了偿付CERN于2002年提出的M&O 和 C&I要求，国家自
然科学基金委与ATLAS合作组签订了关于中国联合组扩大参
加ATLASµ子谱仪协议： 山东大学承接400 TGC 探测器建造
高能所承接16 个BIS.8型 MDT 探测器
ATLAS 大组承认中国组765 kCHF的贡献, 其中包括305
kCHF 以in-knid方式抵消分摊给（直到2005年）中国的M&O,
C&I费用。
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中国组承诺的探测器建造项目的进展
第一阶段
a) 完成了研制用于端盖量能器前轮330 块铜吸收体任务（NJU）
通过全部技术检查后，送往加拿大装配；
b) 完成了400,000 道TGC ASD(Amplifier Shaper Discriminator) 板的
检测(USTC）
c) 提供了8,400 片钨棒（吸收体） (NJU）
上述任务受到合作大组和相关合作单位的赞誉。
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第二阶段
2001年末，大学组的3个大学决定收缩战线，集中力量承接TGC
探测器的建造（包括相关电子学的工作）
山东大学确定为TGC 探测器的建造基地。
从这时起，中国联合组的任务集中于：
32 BEE MDT 和16 BIS.8 探测器的建造(IHEP)
400 TGC 探测器 (Shandong Univ. …)
上述任务的变化被基金委于2002年批准。
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ATLAS 探测器总貌.
其中红字部分为中国组承担建造
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MDT探测器研制（IHEP)
2004年3月ATLAS组织专家来高能所基地验收
(由于2003年SARS, 基地验收推迟了10个月）
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MDT室批量组装
◆MDT探测器的位置测量精度为50m，每个室中数百根丝的位
置精度要求达20m。
◆BEE和BIS.8室处于极为有限的安装空间中，具有特殊的形变
因素。
X射线断层扫描测量与组装在线监测数据
比较
ΔWire-pitch在±10m以内
验证了组装系统重复性达到高精度
microns
20
10
0
-10
-20
0
2
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4
6
8
10
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MDT探测器集成与测试
（Integration & Commissioning）
BIS.8室在CERN进行， BEE室在高能所进行。
气体系统： 气体分配盒、漏气率
慢控制系统： 温度传感器、磁场传感器、准直系统
电子学： 高压、读出、屏蔽
宇宙线测试：噪声、效率、时间谱等
气体系统检测
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电子学检测
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BEE室安装设计
 改进BEE室Kinematic安装结构设计，完成模型加工并即将在
ATLAS端盖磁铁低温恒温器上试安装；
 Service：完成气体管线、慢控制系统及电子学系统的安装
设计。
5
4
3
6
electronics
services
7
HV
2
8
RO
1
9
16
10
View from IP to side A, schematic
gas
supply
15
14
12
13
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11
BEE室磁场传感器布
置
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TGC 探测器建造(山东大学)
400 TGCs (the LVL1 trigger chambers)
Shandong University is
responsible for 400 TGCs
production.
Their location in ATLAS
detector is shown in the
picture (the black ring).
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Two TGCs assembled into one unit
(doublet)
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TGC 检测系统(中国科技大学)
The System has been installed at the
TGC production site in SDU and
works normally
 30 minutes for one T9 TGC unit test
 48 units of T9 TGC tested by
using this system
Sample of Plateau Curve
Block Diagram of the System
Sample of uniform inspection between channels in a
unit
(channel 32 and 33 at the edge of chamber, the area is half of
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normal channel)
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Mikenberg教授来信高度评价 on Dec. 17, 2004
“…196个TGC探测器在检测中没有发现一台的质量低于
所要求的质量标准，而且各方面的性能都明显超越。”，
………
“山东大学生产的所有探测器的低灵敏区域”都低于1%
（规定的质量标准是5%）。相对于ATLAS的其它两个研
制基地（日本的KEK以及以色列的Weizmann研究所，…
达到如此的高质量，这确实是一个突出的成绩”。
国内专家对山大的TGC建造也给予高度评价
2005年1月26日山东省科技厅组织有关专家对于山东大学承担的国家自然科学基金委
“ATLAS端盖μ触发TGC（窄隙室）的研制”项目进行了科技成果鉴定。鉴定委员会
由来自高能所，北京大学，中国科大，南京大学，华中师大国内探测器专家组成。
“测试结果表明，探测器的主要性能指标明显好于设计要求，探测效率明显优于国外
其它实验室制作的同类探测器，达到了国际先进水平”。
400个TGC室已于2004年底全部完成
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钨棒加工( 南京大学)
加工4,400 根钨棒的任务也于2003年由南京大学完成，并以质
量优秀而受到ATLAS组端盖量能器组外国同事的高度评价。.
Dear Ming and Ting-Yang,
Attached is a picture of the ATLAS Forward Calorimeter FCal3C Module.
This module, built at Carleton University in Ottawa, Canada and now in our
clean room at CERN, contains approximately half Chinese Tungsten Rods.
Recent capacitance measurements confirm the dimensional Quality Control
measurements that these rods are of excellent quality. These rods, which
form the inner electrode of each of 8200 ionization gaps in each of two
modules, are crucial components of the ATLAS Detector and are perhaps
the hardest to produce with the necessary parameters. All indications are
that this module will be a superb device within the ATLAS Detector.
The picture is taken in the Jura-side clean room in the North Area at
CERN. The cabling of the module is just starting.
Best regards,
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John Rutherfoord
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MDT探测器的集成、调试和安装
目前和近期工作任务
根据ATLAS计划，32个BEE室将于2006年夏季开始安装。因
此，完成全部MDT室的批量组装后，2006年在集成和测试方
面的工作仍然非常艰巨。由于BEE室是中国独立承担的项目，
在CERN的测试工作必须由我们自己完成，并且须参加部分安
装及调试工作。具体安排如下：
2006年1月— 2006年7月 BEE室测试
2006年6月— 2006年12月 BEE室在CERN安装
2007年1月— 2007年8月 开始实地调试运行、准备对撞实验
TGC也承担部分调试和维护任务
目前高能所和山东大学都派出科研人员在CERN探测器的调
试、安装
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计算环境建设和物理分析准备
• 中国ATLAS组承担的探测器建造任务的国
内任务大部分已经完成，目前部分人员参
加在CERN ATLAS实验区的调试和安装任务。
• 计算环境建设和物理分析准备工作已经开
始(与高能所计算中心合作）
• 网格计算环境建设(高能所计算中心负责）
• 队伍培养与国际合作
• 物理选题准备
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Beijing Tier-2 Pledge
• Resources listed in WLCG MoU
For ATLAS and CMS
Pledged
Planned to be pledged
Tier-2, IHEP
2006
2007
2008
2009
2010
CPU (kSI2K)
100
500
1000
1400
2000
Disk (Tbytes)
20
50
400
400
600
以上承诺的资源同时用于两个实验。所以可以认为是一个实验一半。
但目前还没有确定经费的来源。需要尽快和科技部及基金委协商。
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物理分析工作的开展
• ATLAS中国联合组
高能所：
与法国CPPM合作建立了固定的合作关系，学生、访问学
者互访，合作研究并为我们培养了人才。目前，IHEP ATLAS 软件
环境建设和物理课题预选工作已经启动。
•
对ttH物理课题进行了模拟研究：完成了ttH快蒙特卡罗模拟
分 析 ， 在 高 能 所 的 机 器 上 基 本 成 功 地 安 装 了 ATLAS 最 新 软 件
10.0.4,现正在进行full-simulation仔细研究,已在ATLAS Higgs
组内做了研究进展报告。随着人力的增加，我们将进行HVV和SUSY
研究的准备工作。
山东大学：选择Top夸克对自旋关联物理研究，和法国CPPM建立了
实质性的工作合作关系。2006年，多次在top工作组会议上报告工
作进度, 并发表两篇ATLAS notes. 在山东大学建立了完善的计算
环境和蒙特卡罗模拟软件。
中国科技大学：几位在强子对撞实验 D0 有兴趣的专家正在研究在强
子对撞机如何探测R-parity 破坏em 共振中的sneutrino
• 物 理 分 析 队 伍 正 在 逐 步 成 长 ， 最 终 计 划 形 成 包 括 14 senior
physicists and 6-7 Phd.
Students较强的分析组。
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良好的研究基础
• 中国组承担完成了多项 ATLAS 硬件工作，取得了参加物理
分析、共享物理成果的“入场卷”。
• 高能所先后共 5 人次赴法国 CPPM 研究所工作，已能熟练
掌握运用 ATLAS 分析所用的极其复杂的软件。法国In2P3还
派出物理学家在高能所开展合作研究。
山东大学也派人在CPPM和CERN参加数据分析和数据管理
工作。
• 已在国内建立了完整的 ATLAS 物理分析软件环境，并与国
外发展同步，基本可以通过 GRID 进行 MC 样本产生等。
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良好的研究基础 (续)
• 项目组成员均有丰富的物理分析经验，尤其具有 pp 对撞实
验的分析经验，对LHC实验物理分析非常重要。
• 其中多人还长期参加国外大型高能物理实验，建立了良好的
信誉和广泛的国际合作关系，在 ATLAS 实验中有许多老朋
友。还得到法国CPPM / IN2P3 的大力支持，这些无疑有助
于我们尽快进入相关物理研究的 Working Group。
• 我们在 ALEPH Higgs 寻找中建立了新的统计分析方法，提
高了分析灵敏度，可以移植到 ATLAS 分析中。
• 物理分析工作已得到Higgs Working Group 认可。
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已在 Higgs 物理分析中占有一席之地
• 与法国 CPPM 合作过程中，选择了ttH (HWW)
和 top spin correlation 作为研究课题，不仅熟悉掌
握了ATLAS分析软件， 更重要的是先后完成了Fast
Simulation 和 Full Simulation 的工作。
• 已有多人（高能所的吕峰、单连友、张华桥（博士
生），山东大学的祝成光）在CERN举行的ATLAS
Higgs Working Group 和top Working Group会议上
多次报告分析结果，得到认可和赞赏。在由中、法、
德等国研究人员合作完成的 ttH 分析中，指定由中
方担任该物理分析 note 的 editor，使我们在 Higgs
物理分析中占有了一席之地。
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拟开展的研究工作
• 基础软件工作
–合作完成  探测器相关的刻度、准直和重建等基础软
件工作和  探测器性能研究，为物理分析提供保证和相
关系统误差分析。
• 物理分析工作
–ttH coupling
–HVV coupling
–top spin correlation
–R 宇称破坏研究
–统计方法的移植和研究
–与国内理论家合作开展新的研究课题
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ttH coupling 研究
• 虽然该研究不是发现 Higgs 的最佳衰变道，但是它对研究
Higgs 的Yukawa coupling，检验是否为标准模型Higgs 非常
重要。
• 已基本完成 HWW 模式的Monte Carlo 模拟研究。
• 开展 Hbb, tautau 新衰变模式的研究，以研究低质量Higgs
（～115 GeV）的性质。
• 开始取数后，将仔细研究各种物理变量的数据与MC模拟的
一致性，完成系统误差分析，正式发表物理结果。
– 高能物理实验中系统误差分析对物理结果的可靠性至关重要！也很费
时间人力。
– tt 过程是该项研究的主要本底，因此 另一项课题 top 物理研究可为理
解该本底模拟的可靠性提供重要基础
 课题之间的互补关系。
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研究技术关键
• 大横动量 e, mu 轻子的鉴别是目前研究物理课
题的关键之一。
• Jet－tagging 是另一项关键技术，将与 CPPM
合作研究。（早在 ALEPH 时代，CPPM 就专
长此项技术）
• ATLAS LCG计算平台、软件环境维护与发展。
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加强合作交流
• 与国内理论家的交流与合作
–选择新课题
–定期或不定期各种形式的研讨会
• 与国外的合作
–进一步加强与法国 CPPM 的合作
–与美国 Wisconsin 大学等开展新的合作研究
• 中国组内部各个单位之间的合作、交流与协调
–研究课题合作与互补
–每两个月召开中国组会议，经常性 video meetings。
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结束语
• 8年来，中国联合组已为ATLAS合作大组的探测器建造作
出了有价值的贡献。中国组的贡献受到ATLAS合作大组的
称道。近期，中国组将参加探测器的安装、调试。
• LHC计划在2008年6月底将实现14 TeV pp对撞，这是一个对
所有粒子物理工作者都是激动人心的时刻。随着LHC物理
运行时刻的来临，中国组正积极参与ATLAS实验的数据分
析的准备工作，并在有些物理道（如ttH这一具有重要物
理意义的实验分析）在ATLAS组内占有一席之地。
• 我国的理论家是高能物理界的一支有生力量，与他们的紧
密合作是我们今后工作的方向。
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结束语(续)
中国组十分重视与ATLAS组内有实力的研究
院、所进行实质性的合作，富有成效，今后
将坚持和发展这种合作。
• 中国实验工作者在ATLAS实验的数据分析中
已经占有一席之地，十分不易。如果要保持
良好的发展势头，继续在具有重要物理意义
的课题上取得良好的成绩，必须从组织和经
费上给以必要的保证。我们希望得到基金组
织以及有关上级部门大力帮助和支持。
• 谢谢！
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