[論文レビュー] New Color-Octet Vector Boson?

Bo-Wen Xiao, You-kai Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、CDFとD0が観測したトップクォーク対生成における前向き・後向き非対称性（$A_{FB}$）および不変質量分布（$d\sigma/dM_{t\bar{t}}$）を説明するため、トップクォーク質量の2倍よりわずかに大きな質量（$M_C \sim 360$ GeV）を持つ新しい色八重項の質量を持つベクトルボソン $Z_C$ を提案する。$Z_C$ は s チャネル $q\bar{q} \to t\bar{t}$ を介してトップ対生成を媒介し、QCD振幅と干渉することで $A_{FB}$ を生成するが、$M_{t\bar{t}}$ の分布形を保ったままであり、低線量でも観測可能な特徴を持つため、LHCでも実現可能である。

ABSTRACT

Both CDF and D0 at Tevatron reported the measurements of forward-backward asymmetry in top pair production, which showed possible deviation from the standard model QCD prediction. In this paper, we show that a new color-octet massive vector boson with mass just above twice that of top quark can simultaneously account for the asymmetry and differential distribution $dσ/dM_{t\bar t}$ in top pair production, without conflict with other measurements for example di-jet production. The new particle can be discovered and studied at the more powerful Large Hadron Collider.

研究の動機と目的

• Tevatronにおけるトップクォーク対生成の観測された $A_{FB}$ を説明する。これは、標準模型（SM）QCD予測から約 2σ のずれを示している。
• 微分断面積 $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ を歪めることなく、特に高 $M_{t\bar{t}}$ 領域でその形状を維持する。
• 二重ジット生成や同一符号トップクォーク生成率などの他の制約と整合性を持つこと。
• 従来の $Z'$ や $W'$ モデル、重い軸性グルーオンモデルの欠点を避ける新しい素性モデルを提案すること。
• 特徴的な角度分布および不変質量分布を通じて、LHC でのこの新しい粒子の発見と研究を可能にすること。

提案手法

• クォークと相互作用する軸性ベクトル型の、色八重項の質量を持つ新しいベクトルボソン $Z_C$ を導入する。質量は $M_C > 2m_t$ を満たす。
• トップクォークおよび軽いクォークへの $Z_C$ の有効ラグランジアンを構築し、トップクォークへの結合が軽いクォークよりも強いことを保証する。
• SM QCD振幅と干渉する際のトップ対生成断面積 $\sigma$ および前向き・後向き非対称性 $A_{FB}$ を、$Z_C$ モデルで計算する。
• LHCにおける主要な観測量として、$z$ 方向の運動量によるカットを用いた片側前向き・後向き非対称性 $\sigma^{A_{\text{OFB}}}$ を定義する。
• QCDバックグラウンドを抑制するために、$P_{t\bar{t},\text{cut}}^z = 600$ GeV（7 TeV）および $1.2$ TeV（14 TeV）の運動量カットを適用する。
• 信号の有意性 $Sig = (\sigma^{A_{\text{OFB}}}_{\text{SM}+Z_C} - \sigma^{A_{\text{OFB}}}_{\text{SM}})/\sqrt{\sigma_{\text{SM}}} \times \sqrt{\mathscr{L}}$ を、$\mathscr{L} = 10$ fb$^{-1}$ の条件下で計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい色八重項ベクトルボソンは、他の制約に反しない範囲で、$A_{FB}$ の異常と $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ 分布の両方を同時に説明できるか？
• RQ2 軸性ベクトル結合を持つ低質量 $Z_C$（$M_C \sim 360$ GeV）は、観測された $A_{FB}$ を再現するが、$d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ のSMに類似た形状を保っているか？
• RQ3 LHCにおける角度分布および不変質量分布を通じて、この $Z_C$ モデルは $Z'$ や軸性グルーオンモデルと区別できるか？
• RQ4 実現可能な線量および運動量カットを用いた場合、$Z_C$ の検出可能性はどの程度か？
• RQ5 $Z_C$ がトップクォークおよび軽いクォークへ与える結合定数の強さが、信号の有意性および観測可能性に与える影響は何か？

主な発見

• $M_C = 360$ GeV で、クォークへの軸性ベクトル結合を持つ $Z_C$ ボソンは、CDFおよびD0の $A_{FB}$ 測定値と $d\sigma/dM_{t\bar{t}}$ 分布を同時に説明でき、高 $M_{t\bar{t}}$ 領域の形状を歪めない。
• LHCにおける $\sqrt{s} = 7$ TeV および $\mathscr{L} = 10$ fb$^{-1}$ の条件下で、モデルの信号有意性は $21.62$ に達し、高い発見可能性を示している。
• 7 TeV での $Z_C$ モデルにおける片側前向き・後向き非対称性 $\sigma^{A_{\text{OFB}}}$ は 1670 fb に達し、SMの 650 fb より顕著に大きい。
• 低質量および特異な結合構造のおかげで、$Z_C$ モデルは二重ジット生成や同一符号トップ生成の制約と矛盾しない。
• $Z_C$ はトップクォークへの結合が軽いクォークへの結合よりもはるかに強く、符号も同じであるため、従来の軸性グルーオンモデルとは明確に区別される。
• このモデルはトップクォーク対の対称性の自発的破れや、電弱対称性の破れと関連する可能性を示唆し、モデル構築の新たな道筋を提供する。