[論文レビュー] Analysis of the top-quark charged-current coupling at the LHeC

I. A. Sarmiento Alvarado, Antonio O. Bouzas+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、単一反トップの生成を用いて、トップクォークの電荷を帯びた結合の精密なプローブとしての大型ハドロン・イオン衝突型加速器（LHeC）の有効性を評価する。LHeCは、特に左巻きのベクトルおよびテンソル結合に対して、異常な$V_{tb}$結合および4フェルミオン接触相互作用について、HL-LHCと同等あるいはそれ以上の感度を示すことが示され、特にハドロン最終状態における運動量的非対称性が、特定のオペレーターの感度を顕著に向上させることを明らかにする。

ABSTRACT

In the context of $SU(2)_L imes U(1)$ dimension six operators we study the potential of the LHeC to provide information on top quark effective interactions. We focus on single antitop production and how it is affected not only by the effective $tbW$ coupling but also by four-fermion operators. Compared to the LHC, the LHeC provides a cleaner environment to make a precise measurement of the top quark production cross section. Therefore, this machine would give a much better assesment of $V_{tb}$ in the context of the SM or $V_L$ in the context of higher dimension operators. The LHeC could also give a slightly better measurement for $V_R$. For $g_R$ the HL-LHC precise measurements of $F_L$ and $F_R$ (the $W$-boson helicity decay ratios of top) would yield better constraints than those obtained by the LHeC. Lepton-quark contact interactions would also be significantly better probed by the LHeC, since the only way of measuring them at the LHC would be through leptonic top decay which is hardly sensitive to these interactions.

研究の動機と目的

• トップクォークを含む次元6の$SU(2)_L \times U(1)$ゲージ不変オペレーター（$tbW$結合および4フェルミオン接触相互作用を含む）に対するLHeCの感度を評価すること。
• 単一反トップ生成を用いた有効トップクォーク結合の制約において、LHeCの潜在的性能をHL-LHCと比較すること。
• 電子ビームエネルギー（$E_e = 60, 140, 300$ GeV）および偏光が異常結合に対する感度に与える影響を評価すること。
• 特にレプトン最終状態およびハドロン最終状態の両方において、断面積を上回る感度を向上させる、運動量的観測量（特に非対称性）を同定すること。

提案手法

• LHeCにおける$ep$衝突における単一反トップ生成の、LO（一次近似）の部分的レベルでの解析を、$E_e = 60$, 140, 300 GeVを用いて実施。
• 4つのオンシェル$tbW$結合および4つのレプトン-クォーク接触相互作用を含む、31個の独立した次元6オペレーターを組み込む。
• 標準模型のバックグラウンド研究に基づく実験的不確実性の推定を行い、信号およびバックグラウンド過程の詳細なシミュレーションから得られる誤差仮定を採用。
• 有効結合に対する制約を抽出するために、断面積およびハドロンモードでは22個の運動量的非対称性、レプトンモードでは6個の非対称性を用いる。
• $W$ボソンのスピン状態分率および断面積測定に基づく簡略化された推定を用いて、HL-LHCとの感度比較を実施。
• 右巻き電子を含む結合に対して特に重要な電子ビーム偏光効果を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHeCの異常$V_{tb}$結合に対する感度は、HL-LHCと比べてどの程度か？
• RQ2 ハドロン最終状態における運動量的非対称性は、断面積を上回る有効結合の制約をどの程度向上させるか？
• RQ3 電子ビームエネルギーおよび偏光が、特に$C_{2,3,4}$に対して感度に与える影響はいかほどか？
• RQ4 LHeCは、LHCで十分にプローブされていない4フェルミオン接触相互作用に対して、独自の制約を提供できるか？
• RQ5 LHeCは、$V_L$, $V_R$, $g_L$, $g_R$, および$C_i$結合を、HL-LHCと比較してどの程度効果的にプローブできるか？

主な発見

• レプトン最終状態では断面積測定の精度が約3%、ハドロン最終状態では約6%に達し、実験的誤差は90%未満の電子ビーム偏光に対してほとんど依存しない。
• $V_L$に対して、LHeCはHL-LHCよりも顕著にきつい制約を提供し、断面積測定が最もきつい制約をもたらす。
• ノイズの多いハドロン最終状態ではあるが、運動量的非対称性により、$g_R^r$および$C_3^r, C_4^r$の制約が、実験誤差を半分に抑えたレプトン最終状態とほぼ同等のきつい制約を達成できる。
• $C_1$に対して、LHeCはHL-LHCの約2倍のきつい制約を達成しており、この接触相互作用に対する感度が優れていることを示す。
• 右巻き電子の偏光は、$C_{2,3,4}$の感度を向上させ、特に$C_2$に対しては、$\Delta\eta(\bar{b},\ell)$の非対称性が断面積測定のみに比べて約2倍きつい制約をもたらす。
• LHeCは、第3世代クォークと第1世代レプトンを含む4フェルミオン接触相互作用に対して、独自かつ競争力のある感度を提供するが、これはLHCでは十分にプローブされていない。