摘要
2012年，ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS)和CMS(Compact Muon Solenoid)合作组在大型强子对撞机上发现了希格斯玻色子，开启了粒子物理研究的新篇章。希格斯玻色子性质的精确测量是探索新物理的关键途径之一，而正负电子对撞机是完成这一任务的理想选择。因此，希格斯玻色子被发现后，中国高能物理学界随即倡议了环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider,CEPC)。CEPC的提出为研究粒子物理研究提供了重要选项。 为了充分发挥CEPC在物理研究中的潜力，其探测器需要具备良好的鉴别和测量各类物理标的物的能力。我们通过模拟研究了CEPC上关键物理量的预期精度，包括希格斯玻色子质量、宽度和CKM(Cabibbo-Kobayashi-Maskawa)矩阵元|Vcb|。同时，通过探测器优化研究，我们对与上述测量相关的探测器性能指标的需求进行了分析和量化。此外，我们还研究了探测器径迹子系统的几何优化问题。 希格斯玻色子的质量是其基本性质。在CEPC上，希格斯玻色子的质量主要是通过测量ZH→llH道中ll的反冲质量谱来确定的，其中l是电子或者μ子。在测量过程中，将电轻子末态辐射和轫致辐射的光子补偿回带电轻子，会提高希格斯玻色子质量的测量精度。我们研究了不同光子能量分辨率对希格斯玻色子质量测量不确定度的影响。研究表明，在能量为240GeV、积分亮度为5.6ab-1的条件下，通过光子补偿，可以将从eeH测量得到的希格斯玻色子质量的不确定度从23MeV降低到8MeV,将从μμH测量得到的希格斯玻色子质量的不确定度从7MeV降低到6MeV。 希格斯玻色子的宽度是希格斯玻色子另外一个基本性质。通过对CEPC上测量希格斯玻色子的方法进行全面分析，我们发现其关键在于测量WW熔合过程的截面。因此，我们研究了在CEPC上测量WW熔合过程截面的方法。研究表明，在能量为240GeV、积分亮度为5.6ab-1的条件下，其截面的统计不确定度为2.9％,相应的希格斯玻色子宽度的测量精度为3.0％。玻色子质量分辨率(Boson mass resolution,BMR)可以衡量喷注能量重建的性能。我们定量研究了BMR对WW熔合过程截面测量精度的影响，并且设定了对探测器性能的需求，即BMR小于4％。 |Vcb|作为CKM矩阵元是基本的物理学常数。但它的测量在强子能标下具有较大的系统和理论误差。我们使用全模拟的方法，对通过W玻色子衰变测量|Vcb|的方法进行了研究。我们发现在μvqq过程效率为70％和τ（μ2v)vqq过程效率为50％下，可以获得纯度大于99.5％的W→qq样本。通过μvqq和τ(μ2v)vqq过程测量|Vcb|，在能量为240GeV、积分亮度为5.6ab-1的条件下，统计不确定度为1.3％。如果将这一结果拓展到全部的WW半轻子衰变过程，那么|Vcb|的统计误差降低到0.85％。我们还提出了新的顶点探测器概念设计:Vin-B。新的顶点探测器设计具有更小的材料预算以及最内硅灵敏层更加接近对撞点的特征。利用这个新的设计，混淆矩阵的迹相比基准探测器改进了0.1，而相应的|Vcb|的统计不确定度可以降低20％。 我们研究了CEPC上探测器径迹子系统的几何优化问题。对于不同工作能量下的多种基准物理道:Z→q(q)/μμ、WW fusion,H→q(q)/μμ、ZH→vv+q(q)/μμ和t(t)→b(b)μvμud,我们选取径迹和喷注作为研究的物理对象，以优化径迹和喷注平均动量和能量分辨率为目标，在探测器建造费用约束下，得出径迹子系统的最优几何结构。根据基准物理道的不同，径迹优化半径范围为1.59米到1.73米、喷注优化半径范围为1.82米到1.97米。我们还研究了最优化探测器几何和性能与建造费用的关系。 本文涉及研究是正负电子希格斯工厂科学潜力研究的重要组成部分，同时为CEPC探测器的设计和优化提供了重要参考。
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