[論文レビュー] Dynamical Origin of the Correlation between the Asymmetries $A_{FB}^t$ and $A_{FB}^{\ell}$

Edmond L. Berger, Qing-Hong Cao+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、テバトロンにおける $t\bar{t}$ 事象におけるトップクォークの前後方向非対称性 $A_{FB}^t$ と電荷を帯びたレプトンの非対称性 $A_{FB}^\tau$ の観測された相関の動的起源を調査する。強い相関は、トップクォーク崩壊におけるスピン相関に起因しており、右ヘリシティのトップクォークは、トップクォークと同じ方向にレプトンを放出することを好む。主な結果として、左ヘリシティのトップクォークよりも右ヘリシティのトップクォークを多く生成するモデル—特に $W^\prime$ モデル—がデータを最もよく説明しており、$A_{FB}^\ell \simeq 0.75 \times A_{FB}^t - 2.1\%$ という関係が1σの範囲で D0 測定値と一致する。

ABSTRACT

A larger than expected forward-backward asymmetry in rapidity is observed in top quark pairs produced in proton-antiproton collisions at the Tevatron. The asymmetry is seen in both the top quark distribution $A_{FB}^t$ and in the distribution of charged leptons $A_{FB}^\ell$ from top quark decay. In this paper, we study the kinematic and dynamic aspects of the tight relationship of the two observables arising from the spin correlation between the charged lepton and the top quark with different polarization states. We also consider two benchmark new physics models, an axigluon model and a flavor-changing $W^\prime$ model. These models could explain the values of both $A_{FB}^t$ and $A_{FB}^\ell$. We emphasize the value of both measurements, and we conclude that a model which produces more right-handed than left-handed top quarks is favored by the present data.

研究の動機と目的

• テバトロンにおける $t\bar{t}$ 事象で観測された $A_{FB}^t$ と $A_{FB}^\ell$ の相関の運動論的および動的起源を理解すること。
• 特に左ヘリシティと右ヘリシティの状態のトップクォークの極化が、レプトン非対称性 $A_{FB}^\ell$ にどのように影響するかを評価すること。
• 軸的グルーオン ($G^\prime$) およびフレーバー変換型 $W^\prime$ のベンチマーク新物理モデルが、$A_{FB}^t$ と $A_{FB}^\ell$ の両方のデータと整合するかを評価すること。
• 比 $A_{FB}^\ell / A_{FB}^t$ が、基礎的なトップクォーク生成ダイナミクスを鋭く探査する有効なプローブであるかどうかを検討すること。
• 新物理モデルを制約するため、$A_{FB}^t$ と $A_{FB}^\ell$ の両方の測定値を測定することの価値を確立すること。

提案手法

• トップクォークのヘリシティに依存する崩壊分布 $\frac{1}{\Gamma}\frac{d\Gamma}{d\cos\theta_{\rm hel}} = \frac{1 + \lambda_t \cos\theta_{\rm hel}}{2}$ を用い、$\lambda_t = \pm1$ がトップクォークのヘリシティを表すことで、トップクォーク静止系におけるレプトン放出をモデル化する。
• ローレンツブーストを適用して、トップクォーク静止系におけるレプトンの角度分布を実験フレームに変換し、急速度および横方向運動量におけるトップクォークのブーストを考慮する。
• 運動論的および極化効果に基づいて、左ヘリシティおよび右ヘリシティのトップクォーク成分ごとに、$A_{FB}^\ell$ を $A_{FB}^t$ の関数として解析的に導出する。
• 軸的グルーオン ($G^\prime$) モデルと $W^\prime$ モデルの予測を、$A_{FB}^t$ および $A_{FB}^\ell$ のデータと比較し、$t\bar{t}$ 総断面積と $A_{FB}^t$ が1σの範囲で一致するようにモデルパラメータに制約を加える。
• 相関関係 $A_{FB}^\ell \simeq 0.47 \times A_{FB}^t + 0.25\%$（$G^\prime$ 用）および $A_{FB}^\ell \simeq 0.75 \times A_{FB}^t - 2.1\%$（$W^\prime$ 用）の関数形を用いて、$A_{FB}^t$ と $A_{FB}^\ell$ 間の相関をフィッティングする。
• D0 測定値 $A_{FB}^\ell = 15.2 \pm 4.0\%$ をベンチマークとして、モデルの妥当性を評価し、トップクォークの極化傾向を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テバトロンにおける $t\bar{t}$ 事象で観測された $A_{FB}^t$ と $A_{FB}^\ell$ の相関の動的起源は何か？
• RQ2 特に右ヘリシティと左ヘリシティの違いが、実験フレームにおけるレプトン非対称性 $A_{FB}^\ell$ にどのように影響するか？
• RQ3 $W^\prime$ モデルと軸的グルーオンモデルは、実験的不確実性の範囲内で、$A_{FB}^t$ と $A_{FB}^\ell$ の両方を同時に説明できるか？
• RQ4 $A_{FB}^t$ と $A_{FB}^\ell$ の測定値は、左ヘリシティと右ヘリシティのトップクォークの生成にどのような制約を課すか？
• RQ5 トップクォークのブーストは、異なる極化状態に対して $A_{FB}^t$ と $A_{FB}^\ell$ 間の関係にどのように影響するか？

主な発見

• $A_{FB}^t$ と $A_{FB}^\ell$ の相関は、主にトップクォーク崩壊におけるスピン相関に起因しており、右ヘリシティのトップクォークは、両非対称性の間で強い正の相関を生じる。
• 非常にブーストされたトップクォークでは、左ヘリシティおよび右ヘリシティの両方のトップクォークが大きな $A_{FB}^\ell$ を生成できるが、低エネルギー（閾値）事象では、$A_{FB}^t > 0$ の場合、左ヘリシティのトップクォークからの $A_{FB}^\ell$ は $A_{FB}^t$ の半分未満となる。
• $W^\prime$ モデルは、主に右ヘリシティのトップクォークを生成するが、予測される相関関係は $A_{FB}^\ell \simeq 0.75 \times A_{FB}^t - 2.1\%$ であり、$M_{W^\prime} \lesssim 600$ GeV の場合、D0 測定値が1σの範囲内に収まる。
• 軸的グルーオンモデルは、極化のないトップクォークを生成するが、予測される $A_{FB}^\ell \simeq 0.47 \times A_{FB}^t + 0.25\%$ は、1σの範囲でデータに合うためには重い $G^\prime$ ボゾン（$M_{G^\prime} > 1$ TeV）が必要となる。
• 観測された $A_{FB}^\ell = 15.2 \pm 4.0\%$ は、標準模型予測から約3σ高い。データは、右ヘリシティのトップクォーク生成が強化されたモデルを支持する。
• 比 $A_{FB}^\ell / A_{FB}^t$ は、トップクォークの極化を鋭く探査する強力なプローブであり、$W^\prime$ モデルでは比が約62%、標準模型では約40%であり、D0 測定値と整合的である。