[論文レビュー] Elastic Potential: A proposal to discover elastic production of top quarks at the Large Hadron Collider

James William Howarth|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、LHCにおける前方陽子タグを用いた半弾性トップクォーク対生成の検出を提案し、300 pb⁻¹のデータ量での発見が可能であることを示している。さらに、この手法が、$t \to u\gamma$および$t \to c\gamma$のフレーバー変換中性荷重の崩壊に対して競争力ある制限を設定できることを示し、既存の世界限界値に比べて最大で1桁の改善が可能である。

ABSTRACT

In this letter, I present the motivation and an example analysis method for discovering the elastic production of top-quark pairs at the LHC using forward proton tags, including an overview of the current theoretical tools and experimental acceptance. I show that it is possible to discover the semi-elastic process with only 300 pb${^{-1}}$ of data but that the fully-elastic case is currently out of reach. I also illustrate how the use of forward proton tags can result in limits on the branching ratio for flavor changing neutral current decays of the top quark of the form $t\ ightarrow u\\gamma$ and $t\ ightarrow c\\gamma$ of $<0.39\\cdot10^{-5}$ and $<0.97\\cdot10^{-5}$, respectively, both of which would surpass the existing world limits by at least an order of magnitude.

研究の動機と目的

• 前方陽子タグを用いたLHCにおける半弾性および完全弾性トップクォーク対生成の検出可能性を検討すること。
• 特にトップクォークのフレーバー変換中性荷重（FCNC）崩壊に向けた前方陽子タグ付きイベントの感受性を評価すること。
• 弾性トップ生成がバックグラウンドフリーなシグネチャを提供することを示し、従来の多変量解析に依存する複雑な探索と比較して、より単純かつ感受性の高いレア崩壊の制限を可能にすること。
• 既存の世界限界値と比較して、$t \to u\gamma$および$t \to c\gamma$崩壊の制限の潜在的改善を定量化すること。
• 現在の検出器、特にATLASのAFP前方陽子検出器の実験的到達可能性を評価すること。

提案手法

• 等価光子近似を用いて陽子-陽子衝突における光子フラックスをモデル化し、$\gamma p \to t\bar{t}$および$\gamma\gamma \to t\bar{t}$プロセスのシミュレーションを可能にする。
• 有効場理論（EFT）フレームワーク内でMadGraph5_aMC@NLOジェネレータを用い、トップクォーク生成と崩壊をシミュレートする。特に、$t \to u\gamma$および$t \to c\gamma$結合にはdim6topモデルを適用する。
• ATLAS AFP検出器による前方陽子タグを用いて、散乱後に陽子が完全に保たれるイベントを特定し、弾性および半弾性プロセスを区別する。
• 選択基準として、$p_T > 25$ GeVおよび$|\eta| < 2.5$を満たす1つの$b$-タグ付きジェットと1つの電荷を帯びたレプトン（$e/\mu$）を含むカットアンドカウント解析戦略を実装する。
• Pythia 8.2、SuperChic、FPMCジェネレータを用いたモンテカルロシミュレーションにより、さまざまな弾性および半弾性プロセスの断面積を推定する。
• 予想されるEFT結合定数およびそれに対応する分岐比の制限を、0.1、0.3、1.0 fb⁻¹の予想されるライブネスから外挿して導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 前方陽子タグを用いたLHCにおける半弾性トップクォーク対生成は、わずかな統合ライブネスで発見可能か？
• RQ2 前方陽子タグ付きトップ生成は、$t \to u\gamma$および$t \to c\gamma$のフレーバー変換中性荷重崩壊に対してどの程度感受性を示すか？
• RQ3 弾性生成から得られる$t \to u\gamma$および$t \to c\gamma$分岐比の制限は、ATLASおよびCMSによる既存の世界限界値と比較してどうなるか？
• RQ4 0.1、0.3、1.0 fb⁻¹の異なる統合ライブネスにおける、これらのレア崩壊の感受性の予想される改善は何か？
• RQ5 理論的に可能であるにもかかわらず、完全弾性プロセス$\mathds{P}\mathds{P} \to t\bar{t}$は、低積み上げデータではなぜ現在のところ到達不可能なのか？

主な発見

• 半弾性プロセス$\gamma p \to t\bar{t}$は、わずか300 pb⁻¹のデータ量で発見可能であり、わずかなライブネスでも高い感受性を示す。
• 完全弾性プロセス$\mathds{P}\mathds{P} \to t\bar{t}$は、予測される断面積が極めて小さいため、低積み上げデータでは依然として到達不可能である。
• 1.0 fb⁻¹の統合ライブネスで、$t \to u\gamma$の分岐比の制限は$<0.39 \times 10^{-5}$に達し、既存の世界限界値を少なくとも1桁以上上回る。
• 1.0 fb⁻¹の統合ライブネスで、$t \to c\gamma$の分岐比の制限は$<0.97 \times 10^{-5}$に達し、これも既存の限界値を10倍改善する。
• 1.0 fb⁻¹の楽観的シナリオでは、$\text{BR}(t \to u\gamma)$の制限は、既存の最良の世界限界値よりも9倍改善される。
• 本研究では、弾性トップ生成がバックグラウンドフリーなシグネチャを提供することを示し、複雑な多変量解析に依存する従来の探索と比較して、より単純かつ強力な制限が可能であることを示している。