[論文レビュー] Binned top quark spin correlation and polarization observables for the LHC at 13.6 TeV

W. Bernreuther, Long Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、√s = 13.6 TeV の LHC における t¯t 生産におけるトップクォークスピン相関および偏光観測量に対する次-leading-order QCD および電弱補正を提示する。また、(Mt¯t, cos θ∗t) 階段空間における詳細なビン解析を含む。標準模型の予測と新しい物理効果は、次元6の有効場理論を用いて計算され、クロモエレクトリックおよびクロモグネチック磁気モーメントなどの異常結合に対する高い感受性領域を同定する。

ABSTRACT

We consider top-antitop quark $(t{\bar t})$ production at the Large Hadron Collider (LHC) with subsequent decays into dileptonic final states. We use and investigate a set of leptonic angular correlations and distributions with which all the independent coefficient functions of the top-spin dependent parts of the $t{\bar t}$ production spin density matrices can be experimentally probed. We compute these observables for the LHC center-of-mass energy 13.6 TeV within the Standard Model at next-to-leading order in the QCD coupling including the mixed QCD-weak corrections. We determine also the $t{\bar t}$ charge asymmetry where we take in addition also the mixed QCD-QED corrections into account. In addition we analyze and compute possible new physics (NP) effects on these observables in terms of a gauge-invariant effective Lagrangian that contains the operators up to mass dimension six that are relevant for hadronic $(t{\bar t})$ production. First we compute our observables inclusive in phase space. In order to investigate which region in phase space has, for a specific observable, a high NP sensitivity, we determine our observables also in two-dimensional $(M_{t{\bar t}},\cosθ_t^*)$ bins, where $M_{t{\bar t}}$ denotes the $t{\bar t}$ invariant mass and $θ_t^*$ is the top-quark scattering angle in the $t{\bar t}$ zero-momentum frame.

研究の動機と目的

• 標準模型において NLO QCD および電弱補正を含めた 13.6 TeV LHC における t¯t 生産におけるトップクォークスピン相関および偏光観測量を計算すること。
• t¯t 電荷非対称性のための混合 QCD-電弱および QCD-QED 補正を含めた解析への拡張。
• t¯t 生産に関連する次元6の演算子を含むゲージ不変な有効ラグランジアンを用いて、新しい物理効果を調査すること。
• 特定の異常結合（例：クロモエレクトリックおよびクロモグネチック磁気モーメント）に対する感受性が強い位相空間領域を、(Mt¯t, cos θ∗t) におけるビン解析によって同定すること。
• 将来の実験的比較、特に CMS および ATLAS 分析を想定した、包括的な SM および NP 予測の提供。

提案手法

• オンシェルのトップクォークと幅の狭い近似を含む、dileptonic 終状態への t¯t 生産と崩壊を記述するため、スピン密度行列形式を用いる。
• 崩壊レプトンの角度相関に基づく観測量を計算し、t¯t 生産スピン密度行列の独立係数に射影する。
• 固定順数 QCD 計算を用いて、スピンおよび色の構造を完全に考慮した NLO QCD および電弱相互作用補正を実行する。
• t¯t 電荷非対称性 AC のための混合 QCD-電弱および QCD-QED 補正を含む。
• 新しい物理効果をモデル化するため、次元6の有効場理論（EFT）ラグランジアンを実装し、トップクォークのクロモグネチック、クロモエレクトリック、および磁気モーメントを含む演算子に焦点を当てる。
• 2次元の (Mt¯t, cos θ∗t) 位相空間領域におけるビン解析を実施し、特定の異常結合に対して高い感受性を示す領域を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 (Mt¯t, cos θ∗t) 位相空間におけるどの領域が、トップクォークスピン観測量における新しい物理効果に対して最も感受性を示すか？
• RQ2 NLO QCD および電弱補正は、トップクォークスピン相関および偏光の SM 予測にどのように影響を与えるか？
• RQ3 特定の異常結合（例：ˆc1, ˆµt, ˆcV V, ˆdt, ˆcAA, ˆc2, ˆcAV）が、スピン観測量の微分分布に与える寄与は何か？
• RQ4 混合 QCD-電弱および QCD-QED 補正は、13.6 TeV における t¯t 電荷非対称性 AC にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ビン化された観測量は、トップクォーク系における異なる種類の新しい物理をどの程度区別できるか？

主な発見

• t¯t 電荷非対称性 AC は、NLO QCD に加えて混合 QCD-QED 補正を含めた計算により、√s = 13.6 TeV で約 -0.005 の値を示した。
• ˆc1 を通じた C(k,k) の分子に対する NP 残差は、µ = 2mt のとき (600 GeV, 800 GeV) ビンで -3.126 pb に達し、この領域での強い感受性を示した。
• ˆµt を通じた C(r,k) + C(k,r) への NP 残差は、(600 GeV, 800 GeV) ビンで最大 -14.508 pb に達し、トップクォークのクロモグネチック磁気モーメントに対する高い感受性を示した。
• ˆcAV を通じた B1(k*) + B2(k*) への NP 残差は、800 GeV 以上のビンで 42.620 pb に達し、高質量領域における CP が奇数の結合に対する強い感受性を示した。
• (Mt¯t, cos θ∗t) におけるビン解析により、ˆdt（クロモエレクトリック磁気モーメント）に対する最高の感受性は、(450 GeV, 600 GeV) および (600 GeV, 800 GeV) の質量ビンで確認され、寄与は最大 -196.175 pb に達した。
• ˆdt を通じた C(n,r) - C(r,n) への NP 残差は、2mt < Mt¯t < 450 GeV かつ cos θ∗t ∈ (-1.0, -0.5) ビンで -184.656 pb に達し、前後方向の角度領域における CP が奇数の相互作用に対する感受性が顕著に高まっていることを示した。