标准模型是粒子物理学中最成功的理论之一。它完美描述了三种类型的相互作用并对已经观察到的所有基本粒子进行了解释或预测。在验证标准模型并寻找超越标准模型的新物理学时,对电弱过程的精确测量起着重要的作用。定义为“产生自两个夸克的矢量玻色子衰变成两个轻子”的Drell-Yan过程可以被理论精确预测,并在实验中以极高精度测量,因而是有高度价值的物理工具。该过程中对W玻色子的质量(MW)的测量尤为关键。在标准模型的电弱部分,W玻色子质量取决于顶夸克(Mt)和希格斯玻色子(MH)的质量。给定Mt和MH的已知值,标准模型估计MW为80360±8 MeV。然而,新理论假说(例如超对称和有效场论模型)提出的修正项可以将MW的中心值偏移10-100 MeV。因此实验中对MW精度高于10 MeV的直接测量的结果会是检验标准模型和寻找新物理的有效探针。最近的测量是使用大型强子对撞机(LHC)第一次运行期间ATLAS探测器收集的数据进行的。其结果总误差为19 MeV,包括14MeV的理论误差,来源自电弱效应,强相互作用效应和部分子分布函数(PDF)效应,并以PDF的误差和W玻色子横向动量(pTW)的误差为主导。这些不确定性是由于对强效应不精确的模拟造成的。得益于对ATLAS检测器的最新理解和修正,进行新的MW测量将有效降低实验误差,然而理论误差,尤其是pTW和PDF模拟需要显著的改善,才能实现目标精度(<10 MeV)。PDF描述了实际对撞中夸克和胶子的比例,短距离局部反应使用PDF来计算反应截面。它不能从理论上直接预测,而是利用低能级的实验输入进化到各个能量。可以根据Drell-Yan过程中玻色子产生的法向微分截面与PDF成正比的性质,通过对W和Z玻色子微分截面的精确测量,最小化PDF的系统误差。W玻色子(pTW)的横向动量由强相互作用效应赋予。之前的测量中计算和模拟方法均不能准确描叙二阶以上的pTW,分布。在5GeV相间的区间中,对pTW的误差小于1%的测量将修正理论和实验中对pTW预测的错误,进而提高所有W玻色子研究的精度,W质量测量中相关精度将至少翻倍。但是,由于强子喷注在pTW重建中的深度参与,除非抑制信号过程以外的非弹性散射,否则额外的强子喷柱会降低信号事例重建的能量分辨率,使目标精度无法实现。LHC内部讨论并批准了这种特殊的低对撞数,或称“低堆积”数据的提案。这次专用数据于LHC的第二次运行期间,质子对质心能量13TeV和5TeV,由ATLAS探测器收集。共产生大约400万和150万W玻色子事例。本文介绍了加速器LHC和探测器ATLAS的结构和机理。对于W玻色子研究,电子从内部探测器中的轨道和电磁量能器的能量沉积中重建出来;缪子从内部探测器和缪子谱仪记录的轨迹中重建而来;强子重建则使用了轨道和强子量能器中的能量信息;中微子是从整个事件的缺失横向能量中计算的。所有粒子在进入测量之前都需要进行探测器层级的校准。单W玻色子事例的主要特征是单个电子或缪子以及一束在玻色子相反方向的强子反冲。表示能量的横动量pT和表示方向的赝快度η是重建中的主要运动学参数。W玻色子过程是使用经优化的轻子和强子反冲要求,以及整体事例选择条件来筛选的,以提高信号纯度。轻子和强子后坐力的动量标定方法经过低堆积环境独特设计,旨在复原真实数据和模拟数据中的实际动量。轻子选择效率因子被重新测量,而且将新的外推方法引入传统的“标记和探测”方法中,以克服高统计误差的影响。此法成功消除了 W质量测量中70%的相关不确定性。电子和缪子选择效率因子的精度满足所有测量的要求。此外,由于缪子径迹中的准直问题,其动量具有电荷依赖性偏差。使用低堆积数据中的Z玻色子事例直接推导出的修正充分了复原了这一偏差。与官方版本的修正对比,它具有更卓越的表现。按照定义,电子识别取决于电磁量能器中能量沉积的形状,该形状在真实电子和模拟电子中有显著差异,因此需要进行额外的校正,也带来更多相关系统误差。为了解决这一问题,文中介绍了一种沉积形状加权算法的开发。电子能量是从量能器中基于胞元的簇结构中重建的,此工具会根据平均形状差异来逐个胞元加权其中能量,然后重建加权后的形状参数。在模拟样本中,所有高于能量阈值的电子都将被校正,从而有效理解和抑制该差异。在校正后的样本中,真实电子的能量形状得以重建,而且其新的识别效率极为接近真实电子,可被认为加权算法取得初步成效。该算法已在ATALS官方软件系统中实施,以供进一步研究。W玻色子测量的下一个问题是本底估计,尤其是无法准确模拟的多喷注产物本底。真实数据驱动是估计多喷柱本底数量和分布的主要方法。通过切换轻子与强子喷柱的“分离”状态的选择条件,选择本底丰富的相空间,在此计算出受本底分布和数量并将之外推到信号空间。考虑到低堆积数据的亮度有限,该过程的方法学和轻子分离条件经过了重新设计并通过各种测试以取得最佳精度。其中最显着的改进是对强子反冲的一种新型修正。它解决了自LHC首次运行至今长期存在的W玻色子中本底估计的问题。在计算强子反冲时,该修正可以重新校准强子和轻子之间重叠区域的能量,极大提升了真实数据分布和预测分布的符合度。在以上研究的基础上,本文给出了利用低堆积数据进行的三种测量。产生截面由数据的亮度,W信号事例的数量,接受因子和校正因子计算得出。后二者对应于具有探测器有效的相空间相对于总相空间的比重,和最终检测到的事例对于进入探测器有效的相空间事例的比重;它们均使用模拟数据进行估值。该测量首先以少量的2015年收集的5.02TeV数据(低堆积数据的三十分之一)基础,以支持重离子对撞的研究并探索低堆积数据的潜力。在此测量中实验组尝试了文中介绍的大多数实验策略及数据修正。尽管W事件的数量有限,但5.02TeV的结果仍达到了理想的精度。在使用完整的低堆积数据和经优化的实验方法后,最终结果的误差减半,而且电子缪子的符合度明显提高。实验还测量了微分截面以及电荷不对称性和前后不对称性,以约束PDF的误差和为理论模型提供修正。W玻色子横向动量采用展开法进行测量。通过在模拟数据中定义反映探测器重建的的pTW与真实pTW之间的联系的迁移矩阵,反推实际数据得到对撞中的pTW分布。其总体策略接近于横截面测量,并且大多数误差来源相同。此测量正在进行之中,但目前的结果显示其精度满足实验预期:来自单个轻子通道的误差低于1%,并且在通道合并后降低。多喷柱本底的结果在pTWW的分布中得到进一步验证。理想中的MW的测量将在另外两个完成后进行以获得新的PDF和pTW修正。不过,目前的实验输入足以获得初步的相关结果。结果显示,尽管低堆积的事例较少,轻子校正带来的系统误差优于先前结果。而且低堆积环境显着提高了强子反冲的能量分辨率,以及多喷柱本底估计的精度。后者提供了最显著的提升。统计误差则受到有限的事例数的限制,是单通道和总体结果中最主要的误差来源。在低堆积条件下收集的数据多2至3倍,此问题应该能得到解决。目前实验组正在探讨在LHC后续的运行期间获取数周至数月的低堆积数据的前景。如果该提案被通过,电弱精度测量的格局将发生重大改变。