[論文レビュー] Measurements of polarization and spin correlation and observation of entanglement in top quark pairs using lepton+jets events from proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2402 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突から得られたレプトン＋ジェット最終状態を用いて、高質量イベントにおけるトップクォーク対スピンもつれの初観測を報告する。15個の極化およびスピン相関係数を同時にビン化された尤度フィットで抽出することで、解析は標準模型の予測を確認し、高エネルギー領域のtt対質量で5σを超える有意水準でもつれを観測した。これは、高エネルギー領域におけるトップクォーク崩壊における量子もつれの妥当性を裏付ける。

ABSTRACT

Measurements of the polarization and spin correlation in top quark pairs ($\mathrm{t\bar{t}}$) are presented using events with a single electron or muon and jets in the final state. The measurements are based on proton-proton collision data from the LHC at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected by the CMS experiment, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. All coefficients of the polarization vectors and the spin correlation matrix are extracted simultaneously by performing a binned likelihood fit to the data. The measurement is performed inclusively and in bins of additional observables, such as the mass of the $\mathrm{t\bar{t}}$ system and the top quark scattering angle in the $\mathrm{t\bar{t}}$ rest frame. The measured polarization and spin correlation are in agreement with the standard model. From the measured spin correlation, conclusions on the $\mathrm{t\bar{t}}$ spin entanglement are drawn by applying the Peres-Horodecki criterion. The standard model predicts entangled spins for $\mathrm{t\bar{t}}$ states at the production threshold and at high masses of the $\mathrm{t\bar{t}}$ system. Entanglement is observed for the first time in events at high $\mathrm{t\bar{t}}$ mass, where a large fraction of the $\mathrm{t\bar{t}}$ decays are space-like separated, with an expected and observed significance of above 5 standard deviations.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV における e/μ＋ジェット崩壊チャンネルを用いて、トップクォークの極化およびスピン相関を測定すること。
• 高質量tt系におけるペレス–ホロデツキ基準を用いて、トップクォーク対における量子もつれを検証すること。
• 一度のフィットで全15個の極化およびスピン相関係数を測定する完全な行列測定を実施すること。
• 実際のLHCデータを用いて、生成閾値および高tt質量領域における標準模型のもつれ予測を検証すること。
• トップクォーク崩壊からのスピン相関を用いて、不安定粒子の高エネルギー崩壊における量子力学的予測の頑健性を評価すること。

提案手法

• CMS検出器が収集した、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突から得られた 138 fb⁻¹ のデータに対して、ビン化された尤度フィットを実施する。
• 微分断面積形式を用いて、ヘリシティ基底において全15個の極化ベクトルおよびスピン相関行列の係数を同時に抽出する。
• 測定されたスピン相関行列に基づき、ttスピン状態が分離可能かもつれ状態かを判断するためにペレス–ホロデツキ基準を適用する。
• トップクォーク運動量およびビーム方向を基準とするヘリシティ基底を定義し、ボーズ＝アインシュタイン対称性を保つために n および r 軸の符号反転再定義を実施する。
• 部分素粒子シャワーと行列要素マッチング（MCFM、POWHEGなど）を用いたモンテカルロシミュレーションで、信号およびバックグラウンドイベントをモデル化する。
• 機械学習に基づくジェットフレーバー識別（DeepJet）および運動量再構築を用いて、トップクォーク崩壊を特定し、ttシステムを再構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける高質量ttイベントにおいて、トップクォーク対の量子もつれは観測可能か？
• RQ2 e/μ＋ジェットチャンネルにおける測定されたスピン相関が、異なるtt質量および散乱角のビンで標準模型の予測と整合するか？
• RQ3 一度のデータセットから、全3×3スピン相関行列および極化ベクトルを高精度で同時に抽出可能か？
• RQ4 高インvariant質量領域におけるttスピン状態は分離可能かもつれ状態かであり、標準模型の予測と一致するか？
• RQ5 検出器効果およびバックグラウンドモデル化によるシステムティック不確実性は、もつれの有意水準にどのように影響するか？

主な発見

• 測定された極化およびスピン相関係数は、全tt質量およびトップクォーク散乱角のビンにおいて、標準模型の予測と整合している。
• 高質量ttイベントにおけるトップクォーク対のもつれは、初めて観測され、期待される有意水準および観測された有意水準の両方が5σを超えた。
• ペレス–ホロデツキ基準により、高質量領域におけるttスピン状態が非分離的（すなわちもつれ状態）であることが確認され、量子力学的予測の妥当性が裏付けられた。
• 全15個の極化およびスピン相関係数の行列測定が成功裏に実施され、スピンダイナミクスの包括的検証が可能となった。
• 本解析により、不安定粒子の高エネルギー崩壊における量子もつれが、崩壊生成物の角度相関を用いて探査可能であることが示された。
• システムティック不確実性は良好に制御されており、主な寄与要因はジェットエネルギースケールおよびbタグ効率であった。