ATLAS 的夸克/胶子标记器 | CPC 封面文章解读

导读：

在粒子物理学的前沿，大型强子对撞机 (LHC) 一直是探索微观世界未知领域的核心场所, 其中，LHC 上的 ATLAS 探测器是世界上最大的高能粒子探测器，是探索微观粒子基本物理规律的强大武器。通过ATLAS实验理解夸克和胶子的相互作用和行为，并有效区分粒子对撞过程的实验产物，比如正确区分强子喷注是来自夸克还是胶子，可以更好的测量物理过程和寻找新物理。该期封面文章主要介绍了在 ATLAS 合作组中开发的夸克/胶子标记器(quark/gluon jet tagger)，并对其标记效率进行了测量和刻度。这些标记器对于标准模型的测量和搜索新粒子方面都起到了关键作用。

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强子喷注

在粒子物理学中，标准模型是描述基本粒子及其相互作用的理论框架。夸克和胶子是宇宙中的基本粒子，是构成质子、中子和其他粒子的“基石”。夸克是构成物质的基础粒子，而胶子则是传递强相互作用的粒子，使夸克结合在一起。夸克和胶子不会单独存在于自然中，它们总是通过强相互作用结合成更大的粒子，例如质子和中子。

由于量子色动力学的色禁闭，夸克和胶子不能以自由状态出现，当粒子以极高的能量相互碰撞，单体夸克试图“逃离”时，受到了强相互作用的束缚，它们会拉出更多的夸克-反夸克对，最终形成一个包含许多粒子的喷注，称为强子喷注。

图片来源：https://www.ericmetodiev.com/post/jetformation/

由于这种喷注是由夸克和胶子引发的，因此能够准确地标记和识别它们对于粒子物理研究至关重要。

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ATLAS探测器 

位于欧洲核子研究中心（CERN）的LHC是世界上最大、能量最高的粒子加速器，可以将质子束加速到光速的99.9%，并使两束质子束相撞。LHC 装有四个探测器，其中ATLAS 是最大的一个探测器，用来测量LHC 中高能质子碰撞产生的各种粒子。

图片来源：https://atlas.cern/Discover/Detector

ATLAS 的主要目标之一是寻找新的粒子和物理现象，包括希格斯玻色子的寻找和测量。它是一个巨大的探测器，重约 7000 吨，高约 25 米，直径约 46 米。它由多个子探测器组成，包括内部径迹探测器、电磁量能器、强子量能器和缪子探测器等。这些探测器可以精确测量粒子的运动轨迹、能量和动量等关键物理参数。

图片来源：https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/EXOT-2019-03/

对撞产生的强子喷注会穿越 ATLAS 不同的子探测器，留下一系列的物理信号。通过分析这些信号，科学家可以重建喷注的性质和结构，从而更深入地了理解强相互作用和夸克、胶子的性质。

在高能物理研究中，夸克和胶子喷注的精确区分和标记非常关键，因为这直接影响到我们解释和理解粒子碰撞事件的能力。夸克和胶子虽在某些方面表现相似，但在内部结构和相互作用机制上却存在明显差异，这些差异对于精确描述和理解强相互作用过程至关重要。由于这两类喷注在实验观测上的差异往往受到复杂的实验环境和测量不确定性的影响，因此精确的标记方法的研究和开发是一项极具挑战的任务。科学家们需要不断克服由背景噪声、测量误差和其他复杂因素带来的种种困难，以提高喷注标记的精度和可靠性。

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夸克/胶子标记器 

论文研究了两种夸克/胶子标记器的性能，第一种标记器是基于对喷注的带电粒子轨迹数目（Ntrk）的信息。第二种标记器采用了增强决策树（BDT）方法，它以一组喷注的动力学和次级结构变量为输入，输出夸克或胶子的 BDT 得分（score）。由于夸克和胶子形成的强子喷注性质不同，这两种标记器给出的物理变量分布也会不一样。

这两种标记器有各自的优势和工作机理，其中，Ntrk 标记器通过对喷注中的带电粒子轨迹数目进行计数，提供了一种相对简单有效的方法来区分夸克喷注和胶子喷注。这种方法的优点在于计算简单、速度快。由于夸克通常与更多的带电粒子关联，Ntrk 标记器能够利用这一特性进行有效地区分。然而，这种方法可能受到背景噪声等因素的影响，特别是在高密度束流的环境中。

BDT 标记器提供了一种更复杂、但也更强大的方法来区分夸克喷注和胶子喷注。BDT, 即Boosted Decision Trees，是一种机器学习方法，通过训练可以优化识别夸克和胶子喷注的能力。BDT的训练中采用了一些次级结构变量（substructure variables），能够揭示喷注内部的动力学性质和结构特征，比如，由于夸克和胶子的不同色荷（color charge），夸克喷注往往比胶子喷注更加集中或“窄”。胶子的色荷较大，会产生更多的次生粒子，胶子喷注会“宽”些。利用喷注的动力学变量和一系列次级结构变量作为输入信息，BDT 标记器能够在多维参数空间内提供更精细的区分。

相较于 Ntrk 标记器，BDT 标记器对处理复杂的事件更有优势。值得注意的是，虽然 BDT 标记器的性能可能在某些方面超越 Ntrk 标记器，但它也需要更多的计算资源和时间，并依赖于高质量的训练数据和仔细的性能研究。

这两种标记器在物理分析中的选择和使用往往取决于多种因素，包括但不限于计算效率、实验数据的复杂性和所需的区分能力。在某些情况下，可联合使用这两种方法，以兼顾计算效率和性能的需求，提供一种更全面的解决方案。通过进一步的研究和开发，这些方法可以不断优化，更准确地测量高能物理实验中的复杂过程。

论文提出的标记方法的主要创新点有：首先，利用了Ntrk标记器在夸克和胶子喷注区分上的直接和高效性能，针对简单事件的分析提供了快速的解决方案。其次，通过仔细挑选和构造输入变量，使BDT标记器能在多维参数空间内更精确地区分夸克和胶子喷注。此外，本文首次尝试联合使用Ntrk标记器和BDT标记器，取长补短，提供了一种在计算效率和性能之间取得更好平衡的方法。文章通过一系列的模拟实验验证了这种组合方法在各种场景下的有效性和可靠性。

当夸克喷注的效率在 50% 左右时， Ntrk 标记器能够排除大约 90% 的胶子喷注，而 BDT 标记器能够排除大约 93% 的胶子喷注。经比较，BDT 标记器的表现优于或与 Ntrk 标记器相当。这是因为 BDT 标记器包含了更多的喷注子结构变量。

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小结 

夸克/胶子标记器在粒子物理学领域中起着非常关键的作用。这是因为高能粒子碰撞产生的喷注可能来自不同粒子的衰变，正确识别这些喷注的来源可以帮助我们更准确地理解碰撞的性质和其中涉及的物理过程。

另外，在寻找超出标准模型预测的新粒子或新物理现象时，如果某种新的粒子衰变并产生夸克或胶子喷注，那么能够正确地识别这些喷注有助于我们寻找新粒子，以及验证新的物理模型。

论文研究的夸克/胶子标记器不仅增强了我们对标准模型的理解和测量能力，还为寻找新物理提供了有力的技术工具。

作者介绍：

苏琬云，上海交通大学李政道研究所博士研究生。https://tdli.sjtu.edu.cn/CN/people/middle/peopleType?type=90

李数，上海交通大学李政道研究所李政道学者、物理与天文学院长聘教轨副教授、博士生导师。https://tdli.sjtu.edu.cn/EN/people/middle/51?type=FELLOW

转自：现代物理知识杂志

责任编辑：叶丹、朱敏

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