[論文レビュー] A precise characterisation of the top quark electro-weak vertices at the ILC

Mohammad Sohail Amjad, S. Bilokin+11 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、極化されたビームを用いた$e^+e^-$衝突による$\sqrt{s} = 500$ GeVの国際線形衝突機（ILC）におけるトップクォーク電弱結合の高精度なシミュレーション研究を提示する。この研究では、光子および$Z^0$ボソンへのトップクォークのベクトル、軸性ベクトル、テンソル結合が1%未満の精度で抽出可能であることを示しており、標準模型を越える多数の新しい物理モデルを高い有意水準で区別可能である。

ABSTRACT

Top quark production in the process $e^+e^- o t\bar{t}$ at a future linear electron positron collider with polarised beams is a powerful tool to determine indirectly the scale of new physics. The presented study, based on a detailed simulation of the ILD detector concept, assumes a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=500\,$GeV and a luminosity of $\mathcal{L}=500\,{ m fb}^{-1}$ equally shared between the incoming beam polarisations of $\mathcal{P}_{e^-}, \mathcal{P}_{e^+} =\pm0.8,\mp0.3$. Events are selected in which the top pair decays semi-leptonically and the cross sections and the forward-backward asymmetries are determined. Based on these results, the vector, axial vector and tensorial $CP$ conserving couplings are extracted separately for the photon and the $Z^0$ component. With the expected precision, a large number of models in which the top quark acts as a messenger to new physics can be distinguished with many standard deviations. This will dramatically improve expectations from e.g. the LHC for electro-weak couplings of the top quark.

研究の動機と目的

• ILCにおける$e^+e^- \to t\bar{t}$を用いたトップクォークの電弱結合を高精度に決定すること。
• トップクォークフォーム因子のずれを通じて、ILCの新しい物理への感受性を評価すること。
• ビームの極化が系統的誤差と測定精度に与える影響を評価すること。
• 特に$CP$保存結合の文脈において、ILCのトップクォーク結合への感受性をLHCと比較すること。

提案手法

• ILD検出器概念のフルシミュレーションを用いて、$\sqrt{s} = 500$ GeV、$\mathcal{L} = 500\ \text{fb}^{-1}$における$e^+e^- \to t\bar{t}$イベントをモデル化した。
• 半レプトン性崩壊チャンネル$t \to W^+b \to l^+ \nu_b \bar{b}$が選別され、これは$t\bar{t}$崩壊の約43.4%に相当する。
• $t\bar{t}X$頂点フォーム因子を制約するための観測量として、断面積および前後方非対称性が抽出された。
• $X = \gamma, Z^0$として、ベクトル、軸性ベクトル、テンソルフォーム因子$F_1^{X,V/A}$および$F_2^{X,V/A}$を用いて$t\bar{t}X$頂点をパラメータ化し、標準模型からのずれを記述した。
• ビーム極化（$P_{e^-} = +0.8$、$P_{e^+} = -0.3$）を用いて感度を向上させ、系統的誤差を低減した。
• 線形方程式系を解いてフォーム因子および結合定数を抽出し、共分散行列を用いて不確実性を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCは、光子および$Z^0$ボソンへのトップクォークの電弱結合を1%未満の精度で測定可能か？
• RQ2 ビーム極化はフォーム因子の抽出および系統的誤差の低減にどのように影響するか？
• RQ3 トップクォーク頂点測定を通じて、ILCはどの程度の範囲でさまざまな新しい物理モデルを区別可能か？
• RQ4 特に高光度条件下で、ILCのトップクォーク結合への感受性はLHCと比較してどの程度か？
• RQ5 ILCにおけるトップクォークフォーム因子測定の主な系統的不確実性の要因は何か？

主な発見

• ベクトルおよび軸性ベクトル結合$F_1^{\gamma,V}$、$F_1^{Z,V}$、$F_1^{Z,A}$は、それぞれ$\sim 0.5 \times 10^{-3}$、$\sim 0.8 \times 10^{-3}$、$\sim 2.3 \times 10^{-3}$の不確実性で抽出された。
• テンソル結合$F_2^{\gamma,V}$および$F_2^{Z,V}$は、それぞれ$\sim 0.4 \times 10^{-3}$および$\sim 0.7 \times 10^{-3}$の不確実性で測定された。
• 左巻きおよび右巻きの結合$g_L^\gamma$、$g_R^\gamma$、$g_L^Z$、$g_R^Z$は、それぞれ$\sim 0.053$、$\sim 0.054$、$\sim 0.077$、$\sim 0.085$の不確実性で決定された。
• 得られた精度は、$\mathcal{L} = 3000\ \text{fb}^{-1}$でも期待されるLHCのものよりも高く、多数の新しい物理モデルを高い有意水準で区別可能である。
• ビーム極化設定$P_{e^-} = +0.8$、$P_{e^+} = -0.3$は、極角スペクトルにおける移行効果を最小限に抑え、高次の補正を簡素化する。
• 測定の潜在能力を十分に発揮させるためには、系統的不確実性を1%以下に制御する必要があり、統計的精度がもはや制限要因ではなくなった。