[論文レビュー] Observing Spin Correlations in Single Top Production and Decay

Gregory Mahlon|ArXiv.org|Nov 28, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、テバトロンにおけるシングルトップクォーク生成と崩壊におけるスピン相関を調査し、崩壊生成物の角度分布を用いてトップクォークのスピン極化を調べる。適切なスピン測定軸を選べば、$W^* $-ファージョンおよび$Wg$-ファージョンの両チャネルでトップクォークは95%以上に極化している（95%以上）ことが判明し、電荷を帯びたレプトンはトップクォークスピンと最大相関（$α_ε = 1$）を示す。これにより、ランIIで観測可能なスピン相関が得られる。

ABSTRACT

The weak decay of a polarized top quark has a rich structure of angular correlations among its decay products. We describe some of the noteworthy features of such decays. We then examine the three modes of single top production, with an emphasis on the status of calculations of the degree and direction of polarization at Run II of the Tevatron. The associated production of a top quark with a W boson will be very difficult to observe at the Tevatron. Prospects for observing the other two production mechanisms are much better. The spin state of the produced top quark is understood at leading order in the W* production channel. For the Wg-fusion process, we present new results including the resummed logarithmic corrections of the form ln(mt^2/mb^2). The spin-dependence of the complete order alpha_s corrections to either of these processes has not yet been determined. The fraction of spin up top quarks is large (approx. 95%) for both modes provided that the appropriate spin quantization axis is chosen.

研究の動機と目的

• 標準模型におけるトップクォーク崩壊のスピン構造、特に崩壊生成物とトップクォークスピンの間の角度相関を研究すること。
• 特にランIIにおいて、テバトロンにおけるシングルトップ生成モードにおけるトップクォークの極化度と極化方向を評価すること。
• シングルトップイベントにおけるスピン依存相関の観測可能性を評価し、$t\bar{t}$対生成と比較すること。
• 特に$resummed$対数項$\ln(m_t^2/m_b^2)$の高次のQCD補正が$Wg$-ファージョンにおけるトップクォーク極化に与える影響を評価すること。
• 特に$W^* $-ファージョンおよび$Wg$-ファージョンチャネルにおいて、テバトロンで測定可能なスピン相関を特定すること。

提案手法

• トップクォークの崩壊における角度分布をモデル化するため、$Wtb$頂点の標準模型$V-A$構造を用いる。
• 角度分布式$ \frac{1}{\Gamma_T} \frac{d\Gamma}{d(\cos\chi_i^t)} = \frac{1}{2}(1 + \alpha_i \cos\chi_i^t) $を適用し、$\alpha_i$は各崩壊生成物のスピン相関を定量化する。
• PDG2000の$m_t$および$m_W$の入力値を用いて、$W$、$b$、$\ell$、$\bar{\ell}$、および他のクォークの相関係数$\alpha_i$を評価する。
• スピン依存$Wg$-ファージョン生成を分析し、$\ln(m_t^2/m_b^2)$補正の再結合を用いて極化予測を改善する。
• $W^* $-ファージョンおよび$Wg$-ファージョンのシングルトップ生成メカニズムを比較し、極化を最大化するスピン測定軸に注目する。
• 予想されるテバトロンランIIaの光度に基づき、$3\sigma$の有意水準を用いてスピン相関の統計的観測可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テバトロンにおける$W^* $-ファージョンおよび$Wg$-ファージョンのシングルトップ生成において、トップクォークの極化度はどの程度か？
• RQ2 トップクォークのスピンとその崩壊生成物の間の角度相関は、静止系でどのように現れるのか？ どの生成物が最大相関を示すか？
• RQ3 ランIIaの光度で、シングルトップイベントにおけるスピン相関は観測可能か？ どの生成モードが最も有望か？
• RQ4 高次のQCD補正、特に$\ln(m_t^2/m_b^2)$項は、$Wg$-ファージョンにおける予測極化にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 スピン測定軸の選択は、シングルトップイベントにおける観測極化および相関観測可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 電荷を帯びたレプトン（あるいはハドロン的崩壊における$d$-型クォーク）は、左回りと縦方向の$W$ボソン状態の干渉により、トップクォークスピンと完全に最大相関（$\alpha_\ell = 1$）を示す。
• $W^* $-ファージョンでは、反プロトンビーム方向にスピン測定軸をとると、98%のトップクォークがスピンアップで生成される。
• $Wg$-ファージョンでは、スピン測定軸をスパーサークォーク方向にとると、96%のトップクォークがスピンアップで生成される。
• $Wg$-ファージョンにおける$resummed$ $\ln(m_t^2/m_b^2)$補正は、ローディング結果よりもわずかにネット極化を増加させる。
• $Wg$-ファージョンモードでは、トップクォークスピン軸と電荷を帯びたレプトンの放出角度の相関が、テバトロンランIIaにおいて$3\sigma$レベルで観測可能と予想される。
• 関連する$tW$生成モードは、テバトロンで観測には不十分であるが、他の二つのモード（$W^* $-ファージョンおよび$Wg$-ファージョン）は、極化およびスピン相関測定に強く有望である。