[論文レビュー] Longitudinal top polarisation measurement and anomalous $Wtb$ coupling

Arun Prasath, Rohini M. Godbole+1 more|NOT FOUND REPOSITORY (Indian Institute of Science Bangalore)|May 6, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、特に高エネルギー化した状態における、トップクォークのスピン状態と異常な $Wtb$ 耦合を調べるために、トップクォーク崩壊生成物における運動的非対称性のセットを提案する。エネルギーに基づく非対称性がブースト状態における角度分布よりも感受性が高く、スピン状態に敏感な観測量を組み合わせることで、$Wtb$ 頂点における新しい物理の感受性が向上することを示している。

ABSTRACT

Kinematical distributions of decay products of the top quark carry information on the polarisation of the top as well as on any possible new physics in the decay of the top quark. We construct observables in the form of asymmetries in the kinematical distributions to probe their effects. Charged-lepton angular distributions in the decay are insensitive to anomalous couplings to leading order. Hence these can be a robust probe of top polarisation. However, these are difficult to measure in the case of highly boosted top quarks as compared to energy distributions of decay products. These are then sensitive, in general, to both top polarisation and top anomalous couplings. We compare various asymmetries for their sensitivities to the longitudinal polarisation of the top quark as well as to possible new physics in the $Wtb$ vertex, paying special attention to the case of highly boosted top quarks. We perform a $χ^2$- analysis to determine the regions in the longitudinal polarisation of the top quark and the couplings of the $Wtb$ vertex constrained by different combinations of the asymmetries. Moreover, we find that use of observables sensitive to the longitudinal top polarisation can add to the sensitivity to which the $Wtb$ vertex can be probed.

研究の動機と目的

• 高エネルギー $pp$ 衝突における縦方向トップクォークスピン状態に感受性を持つ堅牢な観測量を開発すること。
• 特に高エネルギー化したトップクォーク状態における、さまざまな運動的非対称性が異常な $Wtb$ 耦合に与える感受性を調査すること。
• $\chi^2$-解析フレームワークを用いて、スピン状態と異常な結合定数の測定の相乗効果を評価すること。
• スピン状態に敏感な観測量が、標準的プローブを上回って $Wtb$ 頂点における新しい物理の感受性を向上させられるかどうかを特定すること。

提案手法

• トップクォーク崩壊からのチャージドレプトンのエネルギー分布および角度分布における非対称性の形で観測量を構築する。
• トップクォークの静止系における微分崩壊断面積分布 $d^2\Gamma/dx_\ell dt$ を導出し、ローレンツ変換を用いてブースト状態に変換する。
• ブーストパラメータ $\beta$ に応じて、$x_\ell$ の3つの異なる領域に分かれる $t = \cos\theta_\ell$ についての解析的積分を実行し、臨界値 $\beta_c = (\xi-1)/(\xi+1)$ を用いる。
• $\beta < \beta_c$ の場合の $R1(x_\ell)$, $R2(x_\ell)$, $R3(x_\ell)$ および $\beta > \beta_c$ の場合の $S1(x_\ell)$, $S2(x_\ell)$, $S3(x_\ell)$ の明示的表現を、スピン状態 $P$ と異常な結合定数 $f_{1L}, f_{2R}$ を含めて導出する。
• 非対称性の組み合わせを用いて、$\chi^2$-解析を適用し、縦方向スピン状態と $Wtb$ 耦合のパラメータ空間を制約する。
• エネルギーに基づく非対称性と角度分布の感受性を比較し、ブースト状態では前者がより効果的であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーに基づく非対称性と角度非対称性は、縦方向トップクォークスピン状態を調べるために、どのように比較されるか？
• RQ2 トップクォークのブーストが進行する状況下で、スピン状態に敏感な観測量は、異常な $Wtb$ 耦合に与える感受性をどの程度向上させ得るか？
• RQ3 ブーストされたトップクォークにおける微分崩壊断面積分布に影響を与える運動的領域と積分限界は何か？
• RQ4 臨界ブースト $\beta_c = (\xi-1)/(\xi+1)$ は、$x_\ell$-統合非対称性関数の構造にどのように影響を与えるか？
• RQ5 複数の非対称性を組み合わせた解析により、標準的プローブを上回って $Wtb$ 頂点における新しい物理の制約の不確実性を低減できるか？

主な発見

• 高エネルギー化した状態では、チャージドレプトンのエネルギー分布が、角度分布よりも、縦方向トップクォークスピン状態および異常な $Wtb$ 耦合に対して感受性が高くなる。
• $\chi^2$-解析により、スピン状態に敏感な非対称性を組み合わせることで、標準的観測量を上回る異常な $Wtb$ 耦合への感受性が向上することが明らかになった。
• $\beta < \beta_c$ の場合、$x_\ell$-分布は3つの領域に分かれ、それぞれ異なる積分限界を持つ。$\beta > \beta_c$ の場合、領域構造が変化し、$\beta = \beta_c$ で $x_2 = x_3$ となる。
• スピン状態 $P$ と異常な結合定数 $f_{1L}, f_{2R}$ を含めた、$R1(x_\ell)$, $R2(x_\ell)$, $R3(x_\ell)$ および $S2(x_\ell)$ の明示的解析的表現が導出された。
• 角度分布がローレンツブーストの影響で感受性を失う場合でも、エネルギーに基づく非対称性が、トップスピン状態の探査に堅牢に機能することが確認された。
• 縦方向スピン状態の情報を組み込むことで、特に高ブースト状態において、$Wtb$ 頂点における新しい物理の探査の感度が著しく向上することが示された。