[論文レビュー] Influence of Z' boson on top quark spin correlations at the LHC

Masato Arai, Nobuchika Okada+2 more|ArXiv.org|Apr 23, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、大強子衝突型加速器（LHC）におけるトップクォーク対生成およびスピン相関に関して、仮説的な$Z^\prime$ボソンの影響を調査する。拡張されたゲージ対称性を有するモデルにおける$s$-チャネル過程による$Z^\prime$-媒介の過程を用いて、$Z^\prime$共鳴ピーク近傍では、トップ-アンチトップ生成断面積およびスピン相関が標準模型（SM）の予測から顕著に逸脱することを示し、新物理の検出可能なシグネチャを提供する。

ABSTRACT

We study top-antitop pair production and top spin correlations in a model with an electrically neutral massive gauge boson, Z', at the Large Hadron Collider. In addition to the Standard Model processes, the Z' contributes to the top-antitop pair production process in the s-channel. Choosing a kinematical region of top invariant mass around the Z' resonance pole, we find sizable deviations of the top-antitop pair production cross section and the top spin correlations from those of the Standard Model.

研究の動機と目的

• 拡張ゲージモデルに由来する$Z^\prime$ボソンが、LHCにおけるトップ-アンチトップクォーク対生成に与える影響を調査すること。
• $Z^\prime$交換による$s$-チャネルにおけるトップクォークスピン相関の変更を分析すること、特に$Z^\prime$共鳴近傍における特徴を強調すること。
• 標準模型を超える新物理を探索するためのトップクォークスピン相関の感受性を評価すること。
• $Z^\prime$寄与を含めた際のトップ-アンチトップインバリアント質量分布およびスピン相関観測量における逸脱を定量化すること。
• LHCにおけるスピン依存観測量を用いて、$Z^\prime$シグナルとSMバックグラウンドを区別するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 左-右対称理論や大統一理論などのモデルにおけるように、質量を有する$Z^\prime$ボソンを拡張ゲージ群に由来する中性ゲージボソンとして導入するモデルを構築する。
• 一般ゲージカレント形式を用いて、$s$-チャネルにおける$Z^\prime$媒介による極化済みトップ-アンチトップ対生成のインバリアント振幅を導出する。
• スピン密度行列形式を用いて、SMと$Z^\prime$寄与を併せて考慮したトップおよびアンチトップクォーク間のスピン相関を計算する。
• $Z^\prime$共鳴極近傍の領域に注目し、トップ-アンチトップインバリアント質量分布およびスピン相関観測量の数値的解析を実施する。
• 特定の$U(1)_{B-L}$-類似モデルからのカップリングパラメータを用いて、$Z^\prime$寄与あり・なしの両状態における全断面積およびスピン相関関数を比較する。
• スピン分析能力形式を適用し、トップクォークスピン極化と崩壊生成物（例：電荷を帯びたレプトン）の角度分布との関係を明示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Z^\prime$ボソンが$s$-チャネルに存在する場合、LHCにおけるトップ-アンチトップ対生成断面積にどのような変更が生じるか？
• RQ2 標準模型と比較して、$Z^\prime$交換によって生じるトップクォークスピン相関の観測可能な逸脱は何か？
• RQ3 トップ-アンチトップインバリアント質量スペクトルにおける$Z^\prime$共鳴領域が、新物理とSMバックグラウンドを区別するのにも使用可能か？
• RQ4 フェルミオン、特にトップクォークへの$Z^\prime$カップリングが、トップ-アンチトップ最終状態における角度分布およびスピン非対称性に与える影響は何か？
• RQ5 共鳴近傍におけるトップクォークスピン相関測定の感受性は、$Z^\prime$質量およびカップリング強度にどのように依存するか？

主な発見

• $Z^\prime$ボソンは$s$-チャネルを通じてトップ-アンチトップ対生成に顕著に寄与し、$Z^\prime$極近傍のインバリアント質量分布に共鳴増幅を引き起こす。
• $Z^\prime$共鳴近傍では、干渉項および共鳴寄与の両方が寄与するため、全トップ-アンチトップ対生成断面積が標準模型の予測から顕著に逸脱する。
• $Z^\prime$交換を含めた場合、同スピンおよび反スピン対生成非対称性において、トップクォークスピン相関が標準模型と顕著に異なる。
• トップクォーク崩壊生成物（例：電荷を帯びたレプトン）の角度分布が、$Z^\prime$誘発スピン相関によって変更され、測定可能なシグナルを提供する。
• スピン相関の逸脱の大きさは、トップクォークへの$Z^\prime$カップリングおよび$Z^\prime$質量に依存し、共鳴ピーク近傍で最大の効果を示す。
• 本研究では、LHCにおけるテルアレイ範囲の$Z^\prime$ボソンを検出するためのトップクォークスピン相関が感受性の高いプローブであることを示している。