[論文レビュー] A precise determination of top quark electro-weak couplings at the ILC operating at $ oots=500\,\GeV$

Mohammad Sohail Amjad, M. Boronat+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 31被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、500 GeVの中心エネルギーで運転する国際線形衝突機（ILC）を用い、偏光したe⁺e⁻ビームを用いてトップクォークの電弱結合を高精度で測定することを提案している。500 fb⁻¹の全有効断面積と半レプトン的t¯tイベント選別を用いることで、全断面積精度が1%未満、前向き-後方非対称性の解像度が2%未満、スピン配向勾配測定精度が4%に達し、その結果、LHCに比べて少なくとも1桁以上優れた新物理の感受性が得られる。

ABSTRACT

Top quark production in the process $e^+e^- ightarrow t\bar{t}$ 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 $ oots=500$\,GeV and a luminosity of $\mathcal{L}=500\,\invfb$ equality shared between the incoming beam polarisations of $P_{e^{-,+}} =\pm0.8,\mp0.3$. Events are selected in which the top pair decays semi-leptonically. The study comprises the cross sections, the forward-backward asymmetry and the slope of the helicity angle asymmetry. The vector, axial vector and tensorial CP conserving couplings are separately determined for the photon and the $Z^0$ component. The sensitivity to new physics would be dramatically improved with respect to what is expected from LHC for electroweak couplings.

研究の動機と目的

• 将来のe⁺e⁻線形衝突機において、トップクォークの電弱結合を高精度で決定すること。
• 偏光ビームとクリアなt¯t生成を活用し、トップクォークのγおよびZ⁰へのベクトル型、アキシアルベクトル型、テンソル型結合を分離すること。
• LHCで達成可能な精度よりも高い精度でフォーム因子を測定することにより、標準模型を超える新物理への感受性を向上させること。
• ILCがTeVスケールのトップクォーク相互作用および新物理を精密に探査できる可能性を検証すること。

提案手法

• 500 fb⁻¹の全有効断面積とPₑ⁻ = ±0.8、Pₑ⁺ = ∓0.3のビーム偏光を伴うILD検出器概念を用いて、√s = 500 GeVにおけるt¯t生成をシミュレーションする。
• 55%の選別効率を持つ半レプトン的崩壊チャネル（τ最終状態を含む）を分析し、t¯tイベントを分離する。
• 主な観測量として、全断面積、前向き-後方非対称性A_FB^t、およびスピン配向角分布の勾配を測定する。
• スピン配向角分布の勾配を新たなロバストな観測量として用い、左巻きおよび右巻きのトップクォークの割合を決定する。
• 式(2)の現在の頂点演算子に基づく、γおよびZ⁰のためのフォーム因子F₁ᵥ、F₁ₐ、F₂ᵥ、F₂ₐを用いたt¯tX頂点のパラメータ化を適用する。
• 統計的感度の検討を実施し、統計誤差のみを仮定し、フォーム因子を独立に変化させることで新物理への感受性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCが√s = 500 GeVで運転する場合、半レプトン的崩壊を用いてトップクォーク対生成断面積を1%未満の精度で測定できるか？
• RQ2 ILCの偏光ビームは、光子およびZ⁰ボソンへのトップクォークの個々の電弱結合をどれほど明確に分離できるか？
• RQ3 スピン配向角分布の勾配という観測量は、従来の非対称性と比較して、トップクォークのスピン配向測定のロバスト性をどのように向上させるか？
• RQ4 LHCと比較して、トップクォークのベクトル型、アキシアルベクトル型、テンソル型フォーム因子のずれを通じて、ILCは新物理にどの程度感度を持つのか？
• RQ5 ILCは、トップクォークの異常磁気モーメントおよび電気モーメントに、LHCの結果を上回る1桁以上の感度を達成できるか？

主な発見

• 半レプトン的チャネルにおけるトップクォーク対生成断面積は、統計的精度約0.5%で測定可能である。
• ビーム偏光に起因する移行効果を補正した後、前向き-後方非対称性A_FB^tは2%未満の精度で決定可能である。
• スピン配向角分布の勾配は約4%の精度で測定可能であり、トップクォークのスピン配向組成をロバストに探査する有効な手段である。
• ILCは、γおよびZ⁰のフォーム因子F̃₂ₐ^γ、F̃₂ₐ^Z、F̃₂ᵥ^γの実部および虚部に対して、LHCが300 fb⁻¹で得られると予想される値よりも1桁以上優れた感受性を示す。
• トップクォークの電気的および磁気的ダイポールフォーム因子F̃₂ₐ^γおよびF̃₂ₐ^Zに対する感受性は、LHCの結果と比較して少なくとも10倍以上向上する。
• 本研究は、追加次元や構成的モデルなどの新物理モデルを、高精度で探査可能であることを示しており、ハドロン衝突機とは異なった独自の補完的戦略を提供する。