[論文レビュー] Kinematics of Top Quark Final States: A Snowmass White Paper

A. W. Jung, Markus Schulze+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

このSnowmass 2013白書は、14 TeV LHCにおけるトップクォーク対生成の運動量および電荷非対称性の測定に関する理論的不確実性と実験的可能性を評価する。現在の系貫的不確実性が、標準模型サイズのトップクォーク生成非対称性の観測を制限しているが、50 fb⁻¹のデータ量で、$t\bar{t}+j$終状態における傾き非対称性やLHCbにおけるフォワード非対称性といった代替観測量が、標準模型予測の決定的検証および標準模型を超える新物理の探索に寄与する可能性を示している。

ABSTRACT

This is the summary report of the Top Quark Kinematics working group prepared for Snowmass 2013. We survey the current state of theoretical predictions for top pair differential distributions, in both boosted and un-boosted regimes, and present an overview of uncertainties and prospects for top spin correlations. We study the prospects for measuring the inclusive SM top pair production asymmetry AFC at LHC 14 as a function of systematic error, and show that some improvement over current systematic uncertainties, as customarily handled, is required for observing a SM-size asymmetry. Cuts on top pair invariant mass and rapidity do not substantially alter this conclusion. We summarize the conclusions of contributed studies on alternate LHC measurements of the ttbar production asymmetry, in ttbar+jet final states and in forward top production at LHCb, both of which show good prospects for observing SM-size asymmetries in 50 fb-1 of data at LHC14.

研究の動機と目的

• 14 TeVおよび33 TeV LHCにおけるトップクォーク対生成運動量の理論的不確実性を評価すること。特にNLO QCDおよびPDFの変動に焦点を当てる。
• 現在の系貫的誤差仮定のもとで、LHC 14における包含的SMトップクォーク電荷非対称性の測定可能性を評価すること。
• $t\bar{t}+j$における傾き非対称性やLHCbにおけるフォワード非対称性といった代替観測量の、SMサイズの非対称性への感度向上可能性を検討すること。
• 系貫的不確実性がトップクォーク生成非対称性の観測に与える影響を定量化し、新物理探索の可能性を評価すること。
• 将来のLHC測定の文脈において、トップクォーク運動量分布およびスピン相関の解釈を統合的に扱うフレームワークを提供すること。

提案手法

• MCFMプログラムを用いて、14 TeVおよび33 TeV LHCエネルギーにおけるトップクォーク対生成断面積および微分的分布をNLO QCD計算により算出する。
• スケール変動（$m_t = 173$ GeVを中心に2倍の変動）および複数のPDFセット（MSTW、NNPDF）の変動を用いて理論的不確実性を推定する。
• トップクォークと反トップクォークの間の横運動量、ラピディティ、およびラピディティ差の運動量分布を分析する。
• イベントレベルのシミュレーションと背景抑制のためのカットを用いて、$t\bar{t}+j$終状態における傾きおよびエネルギー非対称性観測量を評価する。
• 50 fb⁻¹の統合された全断面積を想定し、LHCbがレプトン＋ジェットおよび二レプトン崩壊チャンネルを用いてフォワード領域におけるトップクォーク生成非対称性を測定する可能性を評価する。
• 系貫的誤差のスケーリングを考慮した上で、ATLAS/CMS、LHCb、$t\bar{t}+j$終状態における非対称性測定の予想される有意水準を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の系貫的不確実性レベルでは、14 TeV LHCで標準模型サイズのトップクォーク生成非対称性を明確に観測できるか？
• RQ2 NLO QCDおよびPDFの変動に起因する理論的不確実性は、トップクォーク運動量分布の精度にどのように影響するか？
• RQ3 LHC 14における$t\bar{t}+j$終状態におけるトップクォーク電荷非対称性の測定可能性はどの程度か？また、運動量変数へのカットは感度にどのように影響するか？
• RQ4 50 fb⁻¹のデータ量で、LHCbは十分な統計的有意水準を達成してフォワード領域におけるトップクォーク生成非対称性を測定できるか？
• RQ5 包含的非対称性と比較して、代替非対称性観測量は、系貫的誤差の低減および新物理発見の可能性においてどのように優れているか？

主な発見

• 現在の系貫的不確実性では、LHC 14における包含的SMトップクォーク電荷非対称性は決定的に観測できない。より良い制御が求められる。
• 14 TeVにおける$t\bar{t}$全断面積はNLO QCDで845 pbであり、スケール不確実性が12%、NNPDFの部分子分布関数による不確実性が8%である。
• 33 TeVでは$t\bar{t}$断面積は5 nbに増加し、K要因は1.23、残存スケール不確実性は11%である。
• $t\bar{t}+j$終状態における傾き非対称性は、3000 fb⁻¹のデータ量で約16 s.d.の有意水準に達し、SM非対称性に対する強い感度を示している。
• LHCbは14 TeVで50 fb⁻¹のデータ量を用いて、フォワード領域におけるトップクォーク生成非対称性を測定可能であり、積層効果の悪化は顕著ではなく、高全断面積段階で二レプトンチャンネルの測定が可能である。
• LHCb、ATLAS、CMSの測定結果の統合により、トップクォーク生成非対称性のより包括的な画像が得られ、新物理探索の感度が向上する。