[論文レビュー] Electroweak corrections to $t\bar{t}$ production at hadron colliders

W. Bernreuther, Michael Fücker+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、ハドロン衝突型加速器におけるトップクォーク対（$t\bar{t}$）生成における電弱補正を計算し、トップクォークの横運動量および $t\bar{t}$ における不変質量分布への弱い相互作用の寄与に注目し、小さなが計算可能なパリティ破れの前向き・後方対称性 asymmetry $A_{PV}$ を特定している。主な結果として、$M_{t\bar{t}} > 1.5$ TeV の領域では $A_{PV}$ が最大で 0.5% に達することを示しており、標準模型においては小さくても、新物理の感受性が高い探査手段であることが示された。

ABSTRACT

We report on our recent work on electroweak corrections to $t\bar{t}$ production at hadron colliders. Specifically, we discuss the weak-interaction contributions to the top quark transverse momentum and $t \bar{t}$ invariant mass distributions and an induced parity-violating top-spin asymmetry.

研究の動機と目的

• TevatronおよびLHCにおける $t\bar{t}$ 生成に対する次-leading-order（NLO）電弱補正（弱相互作用およびQED寄与を含む）を計算すること。
• これらの補正がトップクォークの横運動量および $t\bar{t}$ 不変質量などの微分的分布に与える影響を評価すること。
• 標準模型において弱相互作用が誘導するパリティ破れの前向き・後方対称性 $A_{PV}$ を評価し、新物理の精密な探査手段とすること。
• 今後のLHCデータ解析を支援するため、スピン対称性および分布の正確な標準模型予測を提供すること。

提案手法

• 5フラバー体系を用い、NLO parton distribution functions（CTEQ6.1M）を採用し、NLO QCD、弱、QED補正を含む。
• 電弱補正は、$gg \to t\bar{t}$、$q\bar{q} \to t\bar{t}$、$qg \to t\bar{t}q$ の過程に対して計算され、$\alpha^2$、$\alpha\alpha_s$、$\alpha^2\alpha_s$、$\alpha\alpha_s^2$ のオーダーに分離されている。
• トップクォーク対生成におけるパリティ破れ効果を定量化するために、ヘリシティ対称性 $\Delta_{\text{hel}}$ が計算されている。
• パリティ破れ対称性 $A_{PV}$ は、$t\bar{t}$ の不変質量分布から導かれる、$t\bar{t}$ 静止系における前向き・後方対称性に基づいて定義されている。
• 弱補正のスケール依存性を分析し、$b\bar{b}$ および $qg$ チャネルの寄与の合計において、大部分がキャンセルされることを示した。
• 運動量カットを適用した・しない状況で結果を評価し、$p_T^{\text{min}} = 30$ GeV の条件下でも安定であることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱補正は、LHCおよびTevatronにおける $t\bar{t}$ 戦い率および微分的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 弱相互作用が誘導するパリティ破れ対称性 $A_{PV}$ の大きさとスケール依存性はどの程度か？
• RQ3 高エネルギー領域における $t\bar{t}$ 不変質量およびトップクォークの横運動量分布に対する弱補正とQCD補正は、どのように比較できるか？
• RQ4 標準模型における $A_{PV}$ の予測は、標準模型を超える新物理を検出するためのベンチマークとして機能できるか？
• RQ5 $M_{t\bar{t}}$ が大きい領域における $b$-クォークが初期状態を形成する過程が、弱補正にどのように寄与するか？

主な発見

• LHCにおける $t\bar{t}$ 戦い率に対する電弱補正は小さくはあるが無視できない。$\mu = m_t/2$ の条件下で、弱補正は約 -14.1 pb、QED補正は約 +4.78 pb である。
• LHCにおいて、高 $M_{t\bar{t}}$ における $t\bar{t}$ 不変質量分布に対する弱補正は顕著であり、$b\bar{b}$ 初期状態チャネルが対称性に大きく寄与している。
• パリティ破れ対称性 $A_{PV}$ は $M_{t\bar{t}} > 1.5$ TeV の領域で 0.005 に達し、$M_{t\bar{t}} > 0.5$ TeV および $>1$ TeV の領域ではそれぞれ 0.0004 および 0.0021 である。
• 弱補正による $\Delta_{\text{hel}}$ の変化は個別に強いスケール依存性を示すが、$b\bar{b}$ および $qg$ 寄与の合計では顕著にキャンセルされる。
• $M_{t\bar{t}}$ が大きい領域において、NLOの $b$-クォークPDFは $\Delta_{\text{hel}}$ に対する弱補正を強化し、新物理への感受性を高めている。
• 標準模型における $A_{PV}$ の予測は小さくはあるが、今後のLHCの高精度測定で測定可能であり、新物理のパリティ破れ相互作用を検出するための理想的なセンサーである。