[論文レビュー] Asymmetric Leptons for Asymmetric Tops

Arvind Rajaraman, Ze’ev Surujon+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、フレーバー非対角結合を有する $Z^\prime$ モデルなどの、同符号のトップクォークを予測するモデルに対する感受性の高いプローブとして、トップクォーク対生成における単一レプトン電荷非対称性の利用を提案している。この手法により、既存のLHCデータを用いても標準模型からのずれを検出可能であり、35 pb$^{-1}$ でも顕著なパラメータ空間の領域を除外または発見可能であり、1 fb$^{-1}$ のデータ量で5σの有意水準に達する。

ABSTRACT

We propose an efficient method to explore models which which produce like-sign tops at the LHC, using the total charge asymmetry of single lepton events instead of like-sign dileptons. As an example, the method is implemented on a Z' Model, which can explain the top pair forward-backward asymmetry at Tevatron. We show that a large region of the parameter space of this model can be reached using the existing data set at the LHC.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理の強力なシグナチャーである同符号トップクォーク対生成のより効率的な探索戦略の開発を目的とする。
• 二重レプトンからの同符号トップクォーク生成を検出する従来の手法が、トップ崩壊からの二重レプトンの小さな分岐比（約5%）に起因する統計的パワーの低さを是正することを目的とする。
• 一方で、一方のトップがレプトン的崩壊、もう一方がハドロン的崩壊する単一レプトンイベントの高い効率（30%の分岐比）を活用し、限られたデータ量でも感受性を向上させることを目的とする。
• 従来の同符号トップクォーク探索とは異なり、異なる系統的誤差を有し、ジェットから生じるレプトン偽物の影響が小さい、補足的な観測量を提供することを目的とする。
• テバトロンで観測されたトップの前後方向非対称性を説明する $Z^\prime$ モデルの妥当性を、LHCの高いエネルギーと豊富なデータ量を用いて検証することを目的とする。

提案手法

• 単一レプトンイベントにおける電荷非対称性を測定し、$\mathcal{A}_{1\ell} = \frac{N(\text{トップ対} \to 1\ell^+) - N(\text{トップ対} \to 1\ell^-)}{N(\text{トップ対} \to 1\ell^+) + N(\text{トップ対} \to 1\ell^-)}$ で定義される。ここでレプトンの電荷がトップクォークの符号を特定する。
• 二つ以上の分離したレプトンを含むイベントは除外され、単一レプトン最終状態に限定され、そのうち一方のトップがレプトン的崩壊するトップ対生成に焦点を当てる。
• 分析は $\sqrt{s} = 7$ TeV における $\mu + \geq 4j$（bフラグ付き）チャンネルを用い、単一の分離レプトン（ミュオン）、運動量の欠損、および少なくとも4つのジェット（bジェットを含む）を有するイベントを選別する。
• 信号の有意水準は $s = \frac{\sigma_{\text{eff}}[tt]}{\sqrt{\delta_{\text{stat}}^2(\Delta N) + \delta_{\text{sys}}^2(\Delta N)}}$ を用いて計算され、$\Delta N$ は正および負のレプトン数の差を表す。
• 系統的誤差は $W$+ジェットおよびシングルトップ背景から推定され、$\delta_{\text{sys}}(\Delta N) \approx 0.185 \times (L/{\rm pb}^{-1})$ となる。統計的誤差は標準模型背景の合計 $6.31 \times (L/{\rm pb}^{-1})$ から得られる。
• $Z^\prime$ モデルは $m_{Z^\prime}$ と $\alpha_X$ を変化させながらシミュレーションされ、$\mathcal{A}_{1\ell}$ の予測とパラメータ空間における有意水準の等高線図が描画される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の二重レプトンベースの探索と比較して、単一レプトン電荷非対称性は、同符号トップクォーク生成のための実用的で感受性の高いプローブとして有効であるか？
• RQ2 テバトロンで観測されたトップの前後方向非対称性を説明する $Z^\prime$ モデルのパラメータ空間のどの程度が、この手法を用いて現在のLHCデータで探査可能か？
• RQ3 信号の有意水準は統合された照射量にどのように依存するか？また、$Z^\prime$ パラメータ空間の重要なポイントは、どの照射量で発見可能または除外可能になるか？
• RQ4 この手法の感受性は、背景の系統的誤差および偽物レプトンの抑制という観点から、従来の同符号トップクォーク探索と比べてどう異なるか？
• RQ5 特にフレーバー非対角結合を有するモデルにおいて、単一レプトン電荷非対称性はトップクォーク対生成における新しい物理にどの程度感受性を示すか？

主な発見

• 35 pb$^{-1}$ のデータ量で、この手法はテバトロンの前後方向非対称性を説明するパラメータ空間の大部分を、標準模型の非対称性がゼロであるという前提のもとで制約可能である。
• 50 pb$^{-1}$ のデータ量で、$m_{Z^\prime} = 160$ GeV および $\alpha_X = 0.024$ のモデル点は、測定された非対称性が標準模型と整合する場合、95%信頼水準を超えて除外可能である。
• 1 fb$^{-1}$ のデータ量で、同じモデル点は5σの有意水準で発見可能である。
• 従来の同符号二重レプトン探索と比較して、この手法はより効率的であり、同符号トップクォークイベントの約30%を捉えるのに対し、二重レプトンの分岐比は約5%である。
• 単一レプトン電荷非対称性は、ジェット由来のレプトン偽物にあまり敏感ではなく、このような偽物は正負の電荷にほぼ均等に分布すると予想される。
• この手法は、異なる系統的誤差を有する従来の同符号トップクォーク探索とは補完的であり、初期段階のデータ段階において感受性が向上する。