[論文レビュー] Four-top production and t tbar + missing energy events at multi TeV e+e- colliders

M. Battaglia, Géraldine Servant|arXiv (Cornell University)|May 25, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、CLICなどの3 TeV $e^+e^-$衝突機における $Z^\prime$ が媒介する四トップおよび $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 終状態を、軽い標準模型（SM）状態への結合が抑制された $U(1)^\prime$ モデルを用いて調査する。この研究では、特に $t\bar{t}$ invariant massピークと $E_{\text{miss}}$ 分布が、約3.5 GeVの精度で $Z^\prime$ 質量を明確に再構築可能であり、複合的トップおよびダークマター模型に対する強力な探査手段を提供することが示された。

ABSTRACT

Four-top production and top pair production in association with missing energy at e+e- colliders are sensitive probes of beyond-the-Standard-Model physics. We consider Standard Model (SM) extensions containing a new U(1)' which couples preferably to the most massive states of the SM such as the top quark or Dark Matter but has suppressed couplings to all the light states of the SM, as inspired by Randall-Sundrum-like setups or theories of partial fermion compositeness. These simple models are poorly constrained by experimental data but lead to striking new signatures at colliders. In this note we consider Z' production in association with a top quark pair in 3 TeV e+e- collisions at CLIC, leading to interesting four-top final states and ttbar+missing energy events.

研究の動機と目的

• 四トップおよび $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 終状態を通じた $e^+e^-$ 衝突における $Z^\prime$ 共鳴の発見可能性を調査すること。
• 部分的複合性またはランダール＝サンズラジアン構造に類似した構造を持つモデルにおいて、CLICがトップクォークおよびWIMPsへの $Z^\prime$ 結合にどれほど感度を持つかを評価すること。
• $t\bar{t}$ invariant mass再構築と $E_{\text{miss}}$ 策略が、バックグラウンド抑制がなされた明確な新しい物理の探査手段を提供することを示すこと。
• 運動量フィッティングと検出器シミュレーションを用いて、$t\bar{t}t\bar{t}$ 終状態における $Z^\prime$ 質量分解能を定量すること。

提案手法

• 右ヒルトトップクォークおよびWIMPsに優先的に結合する $Z^\prime$ ゲージボソンを有する有効な $U(1)^\prime$ モデルを採用し、運動量混合を介して軽いSMフェルミオンへの結合を抑制する。
• 信号イベントは、3 TeVの $e^+e^-$ 質心エネルギーで CalcHep を用いて生成され、$g_t^{Z^\prime} = g_N^{Z^\prime} = 3$ の条件下で、Pythia 6.125 を用いたパートンシャワイングが実施された。
• MokkaおよびILDベースの再構成ツールを用いたフル検出器シミュレーションが実施され、Marlinプロセッサによるイベント再構成が行われた。
• $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ の場合、$E_{\text{miss}} < 1900$ GeV、ジェットクラスタリング、および $M_{\text{jet}}$ が125–225 GeVの範囲にあることを条件としてトップクォークの特定が行われた。
• $t\bar{t}t\bar{t}$ の場合、高粒子多重度（>50）、エネルギーおよびスルスト・カット、および Pufitc を用いた運動量フィッティングが実施され、分解能の向上が図られた。
• 再構築および運動量フィッティング後に、$t\bar{t}$ invariant mass分布の上端点から $Z^\prime$ 質量が再構築された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLICなどの $e^+e^-$ 衝突機は、3 TeVで $t\bar{t}t\bar{t}$ および $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 終状態における $Z^\prime$ 共鳴を観測可能か？
• RQ2 検出器効果およびビームストラウルの影響下でも、$t\bar{t}$ invariant mass分布が $Z^\prime$ 質量再構築にどのように寄与するか？
• RQ3 $Z^\prime$ が媒介する $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ イベントにおけるWIMPダークマターの探査に、$E_{\text{miss}}$ を用いたシグネチャが果たす意義は何か？
• RQ4 運動量フィッティングとイベント選別は、マルチトップ終状態における標準模型（SM）バックグラウンドをどのように低減するか？
• RQ5 1 ab$^{-1}$ の統合したレアリティにおいて、$t\bar{t}t\bar{t}$ イベントにおける $Z^\prime$ の達成可能な質感分解能はどの程度か？

主な発見

• $t\bar{t}Z^\prime \to t\bar{t}t\bar{t}$ イベントにおける $t\bar{t}$ invariant mass分布は、再構築後も上端点をよく保持しており、$Z^\prime$ 質量の高精度決定が可能である。
• $M_{Z^\prime} = 360$ GeVの場合、1 ab$^{-1}$ の統合レアリティを用いて、統計的精度約3.5 GeVで $Z^\prime$ 質量を再構築可能である。
• 選別後、$M_{Z^\prime} = 360$ GeVの条件下で、$t\bar{t}$ 質量ピークに240件の信号イベントが観測され、標準模型（SM）バックグラウンドは無視できるほど小さい。
• $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ チャネルでは、200 fb$^{-1}$ の条件下で648件の信号イベントと22件のSMバックグラウンドが得られ、バックグラウンドが低い明確なシグネチャであることが示された。
• $M_{Z^\prime} = 360$ GeVにおける $t\bar{t}t\bar{t}$ の信号断面積は4.2 fbであり、3 TeVにおけるSM率（0.03 fb）を著しく上回る。
• $t\bar{t}t\bar{t}$ の主なSMバックグラウンドは、$t\bar{t}W+jets$（0.4 fb）および $t\bar{t}WW+Njets$（0.6 fb）であり、両者とも信号に比べてはるかに小さい。