[論文レビュー] Further tests of special interactions of massive particles from the Z polarization rate in $e^+e^- o Zt\bar t$ and in $e^+e^- o ZW^+W^-$

Fernand M. Renard|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2018

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、高エネルギー $e^+e^-$ 衝突における重い粒子のスケール依存質量および最終状態相互作用を調べるため、$e^+e^- \to Zt\bar{t}$ および $e^+e^- \to ZW^+W^-$ プロセスにおける縦方向に偏光した $Z$ ボソンの生成率の比較的分析を提案する。インバリアント質量（$s_{t\bar{t}}$, $s_{Zt}$ など）の運動学的分布を分析することで、$Z$ ボソンとトップクォークの質量スケール依存性が $Zt\bar{t}$ プロセスで相殺される可能性がある一方で、$ZWW$ プロセスは $W/Z$ 質量の進化および最終状態相互作用に対して特徴的な感度を示し、素因数の構造やダークマター結合といった新しい物理の起源を区別可能である。

ABSTRACT

We propose further tests of the occurence of scale dependent heavy particle masses (Z,W,t) and of strong final state interactions by comparing Z longitudinal polarization rates in different kinematical distributions of the $e^+e^- o Zt\bar t$ and in $e^+e^- o ZW^+W^-$ processes.

研究の動機と目的

• 高エネルギー $e^+e^-$ 衝突における $Z$, $W$, およびトップクォークのスケール依存質量の存在をテストすること。
• $Zt\bar{t}$ および $ZW^+W^-$ プロセスにおける縦方向 $Z$ 偏光率を通じて、最終状態相互作用を調べること。
• 運動学的分布の比較的分析により、トップクォーク質量のスケール依存性、$Z/W$ 質量のスケール依存性、および最終状態相互作用の寄与を区別すること。
• 形状の違いを特徴とする $Z_L$ 確率分布のシグネチャを通じて、素因数の構造やダークマター結合といった新しい物理の兆候を特定すること。

提案手法

• $e^+e^- \to Zt\bar{t}$ および $e^+e^- \to ZW^+W^-$ プロセスにおける縦方向 $Z$ 偏光率 $R_L = \sigma(Z_L)/[\sigma(Z_T) + \sigma(Z_L)]$ を計算する。
• スケール依存質量のテスト形式を導入：$X = Z, W, t$ に対して $m_X(s) = m_X (m_{\text{th}}^2 + m_0^2)/(s + m_0^2)$ を定義する。
• 最終状態相互作用を乗法的テスト係数 $(1 + C(s))$ でモデル化し、$C(x) = 1 + m^2/m_0^2 \ln(-x/(m_{\text{sum}})^2)$ を用いる。
• インバリアント質量 $s_{t\bar{t}}$, $s_{Zt}$, $s_{ZW^+}$, $s_{WW}$ などの関数として $Z_L$ 確率分布を分析する。
• 質量スケール依存性と最終状態相互作用の仮定の下での $Z_L$ 確率の形状変化を比較する。
• 感度と区別可能性を示すために、$\sqrt{s} = 5$ TeV および $\theta = \pi/2$ の運動学的配置を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $ZW^+W^-$ 生成におけるスケール依存 $W/Z$ 質量が縦方向 $Z$ 偏光率にどのように影響するか？
• RQ2 スケール依存トップクォーク質量が $Zt\bar{t}$ 生成における $Z_L$ 確率に与える影響は何か？また、$Z$ 質量効果とどのように相互作用するか？
• RQ3 $t\bar{t}$, $Zt$, または $ZW^\pm$ システムにおける最終状態相互作用は、$Z_L$ 確率分布を通じて区別可能か？
• RQ4 トップクォークの素因数構造とダークマター環境からの新しい物理効果を区別するための運動学的シグネチャは何か？

主な発見

• $ZW^+W^-$ 生成において、スケール依存 $W/Z$ 質量は $Z_L$ 確率を増加させ、$s_{WW}$ および $s_{ZW^\pm}$ 分布における形状の変化が顕著に現れる。
• $Zt\bar{t}$ 生成において、$Z$ 質量の低下は $Z_L$ 確率を増加させるが、トップクォーク質量の低下はゴールドストーン等価性により抑制するため、相殺が生じる可能性がある。
• $s_{t\bar{t}}$ および $s_{Zt}$ 分布は、$Z$ とトップクォークの質量スケール依存性に対して逆の応答を示し、観測可能な信号を抑制する相殺効果を可能にする。
• 最終状態相互作用は、$s_{t\bar{t}}$, $s_{Zt}$, および $s_{ZW^\pm}$ 分布において、質量スケール依存性とは異なる形状の特徴的な効果をもたらす。
• $Zt\bar{t}$ および $ZW^+W^-$ プロセスの組み合わせ的分析により、新しい物理の起源（トップクォーク質量のスケール依存性、$W/Z$ 質量の進化、最終状態相互作用）を区別可能である。
• 運動学的分布としての $Z_L$ 確率は、素因数構造やダークマター結合といった BSM 物理の識別に非常に感受性が高く、単純なテスト形式でも有効である。