[論文レビュー] Determining Top Quark Couplings at the LHC: Snowmass White Paper

J. Adelman, Matthew Baumgart+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、有効場理論（EFT）およびフォームファクター手法を用いて、LHCがトップクォーク結合に与える感度を評価している。特に、QCDと干渉しない次元6および次元8の4フェルミオン型作用素に焦点を当て、14 TeVのデータ量が300および3000 fb⁻¹の場合、$t\bar{t}H$結合と異常結合が10%のレベルで探査可能になると予想されている。一方、干渉しない4クォーク型作用素は数TeVのスケールまで探査可能になると予想される。

ABSTRACT

Top quarks are a prime system for hunting for new physics. Nonetheless, two decades on from their discovery few of their couplings have been measured to high precision. We present an overview of current determinations and the expected sensitivities with 300 fb-1 and 3000 fb-1 of 14 TeV LHC data. In addition to direct limits on the top quark's renormalizable couplings to Standard Model bosons, we also explore what bounds can be set on the coefficients of higher-dimension operators, taking particular four-fermion operators that do not interfere with QCD as a test case. Every coupling we consider will benefit greatly from a dedicated study at the future LHC. Some measurements, like the irrelevant operators, are systematics-limited and will saturate in the near-term. Others, like the important ttbar+Higgs coupling, involve rare processes and thus demand as much data as possible.

研究の動機と目的

• 有効場理論（EFT）およびフォームファクターパラメトライゼーションを用いて、LHCが異常トップクォーク結合に与える感度を評価すること。
• 将来のLHCデータ（300および3000 fb⁻¹）が、トップクォークがヒッグス、$W$、$Z$、および光子と結合する際の探査能力を評価すること。
• QCDと干渉しない次元6および次元8の4フェルミオン型作用素に対する制限を、保守的な$u$-クォークのみのモデルを用いて設定すること。
• 特に$t\bar{t}H \to b\bar{b}$および$t\bar{t}H \to \tau\bar{\tau}$の実験的チャンネルが、将来のトップ-ヒッグス結合測定において重要な役割を果たすことを特定すること。
• システムティクス制限と統計制限の測定フロントラインを特定し、ハイグレジュリティLHCにおける将来の実験的優先順位を導くこと。

提案手法

• 次元6および次元8の作用素を用いて新しい物理をモデル化する有効場理論（EFT）を用い、ラグランジアン$\mathcal{L}^{\rm eff} = \mathcal{L}_{\rm SM} + \sum \frac{c_i}{\Lambda^2} \mathcal{O}_i$における係数$c_i/\Lambda^2$を用いる。
• パリティが奇数で、QCDと干渉しない4クォーク型作用素、特に$\mathcal{O}^{1,8}_{AV}$、$\mathcal{O}^{1,8}_{VA}$、$\mathcal{O}^{1,8}_{PS}$、$\mathcal{O}^{1,8}_{SP}$に焦点を当てる。これらの作用素は$\mathcal{O}(1/\Lambda^4)$のオーダーで寄与する。
• イベントレベルの選択カットおよびブーストドリフトツリー（BDTs）を用いて、$b\bar{b}$および$\tau\bar{\tau}$最終状態における$t\bar{t}H$信号とバックグラウンドを区別する。
• 感度を定量化するために、信号強度$\mu = \sigma_{\rm obs}/\sigma_{\rm SM}$を用い、95%信頼水準での観測および期待される上限を報告する。
• 1および2本の$b$-タグ付きイベントについて別々に解析を行い、ジェット運動量、MET、$b$-タグ、ヒッグス質量再構築を組み合わせて信号の識別を向上させる。
• 主に$t\bar{t}+b\bar{b}$、$t\bar{t}+c\bar{c}$、$t\bar{t}+j$プロセスのモデリングによるシステムティクス不確実性が支配的であり、各々50%のレート不確実性を独立に適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeVのデータ量が300および3000 fb⁻¹のとき、LHCが異常トップクォーク結合に与える感度はどの程度か？
• RQ2 $t\bar{t}H$結合はどの程度正確に測定可能か？また、$b\bar{b}$および$\tau\bar{\tau}$崩壊チャンネルにおける主なバックグラウンドとシステムティクスは何か？
• RQ3 QCDと干渉しない次元6の4フェルミオン型作用素に対してどのような制限が設定可能か？また、どのスケールの新しい物理が探査可能か？
• RQ4 $t\bar{t}H \to b\bar{b}$および$t\bar{t}H \to \tau\bar{\tau}$チャンネルの感度を比較するとどうなるか？300 fb⁻¹のデータで期待される有意水準は？
• RQ5 高輝度LHCにおける$t\bar{t}H$感度を向上させるために、$t\bar{t}+\text{HF}$バックグラウンドのモデリングにどのような改善が必要か？

主な発見

• 300 fb⁻¹のデータで、$t\bar{t}H \to \tau\bar{\tau}$チャンネルは観測された場合$S/\sqrt{B} = 3.7$、期待された場合$2.1$の有意水準を達成し、300 fb⁻¹で$6.4$および$3.7$に向上する。これは、20%の断面積精度が達成可能である可能性を示唆している。
• CMSの$b\bar{b}$解析では、$t\bar{t}H$生成に対して観測（期待）限界がSM予想の5.2（4.1）倍に設定されており、最良適合信号強度は$+0.85^{+2.47}_{-2.41}$である。
• ATLASの$b\bar{b}$解析では、より厳しくない限界（SM予想の13.1（10.5）倍）が報告されており、$t\bar{t}+\text{HF}$モデリングの主なシステムティクス不確実性が同様に支配的である。
• $t\bar{t}H \to \tau\bar{\tau}$チャンネルは、300 fb⁻¹で観測時$S/\sqrt{B} = 6.4$、期待時$3.7$を達成しており、中程度のデータ量で高い感度を示す可能性がある。
• $t\bar{t}H \to b\bar{b}$チャンネルは、$t\bar{t}+b\bar{b}$および$t\bar{t}+c\bar{c}$バックグラウンドによるシステムティクスに制限を受けており、現在のシミュレーションで過剰に予測されているため、モデリングの改善が必要である。
• QCDと干渉しない4クォーク型作用素、特に$\mathcal{O}^{1,8}_{AV}$および$\mathcal{O}^{1,8}_{VA}$は、高輝度LHCデータを用いて数TeVのスケールまで制限可能であり、特に$u$-クォークのみのシナリオで顕著である。