[論文レビュー] On the observability of pseudoscalar toponium at future hadron colliders

Ö. Çakır, R. Çiftçi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、追加の標準模型（SM）家族やE₆に由来するアイソスイングレットクォークによって|Vtb|が著しく低下するような状況下で、将来のハドロン衝突機（LHCやVLHC）における中間子的トップクォーラム（ηₜ）の観測可能性を検討している。|Vtb| ≈ 0.1の場合、√s = 14 TeVのLHCでηₜ → γγの崩壊が観測可能であると判明した。また、より高いエネルギーの装置、例えばVLHC（√s = 175 TeVまで）では、|Vtb| ≤ 0.4の範囲で信号が検出可能となる。

ABSTRACT

Possible existence of extra SM families and/or isosinglet E_6 quarks may sufficiently decrease |V_tb| of CKM matrix so that toponia can be formed. Production of pseudoscalar toponium at the LHC and VLHC has been considered. The observability of eta_t->gamma+gamma signal is discussed.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）で予想される1に近い値よりも著しく低い|Vtb|の状況下で、将来のハドロン衝突機における中間子的トップクォーラム（ηₜ）の観測可能性を評価すること。
• 追加のSM家族やE₆に由来するアイソスイングレットクォークといった理論的状況が、|Vtb|をSM予想値から著しく低下させ得ることを検討すること。
• LHCおよびVLHCにおけるηₜ → γγ崩壊チャネルの信号断面積とバックグラウンド抑制の評価。
• ηₜの3σおよび5σの発見意義に到達するための統合照射量およびエネルギー要件を特定すること。
• 直接的なsチャネルトップクォーク測定とは補完的に、トップクォーラム信号を通じた|Vtb|の間接的探査フレームワークを提供すること。

提案手法

• NLO QCD補正でK ≈ 1.4となることを利用し、断面積公式σ(pp → ηₜX) = K(π²/8mₙₜ³)Γ(ηₜ → gg)τ ∫(τ to 1) dx/x g(x,Q²)g(τ/x,Q²)を用いて、グルーオン-グルーオン融合によるηₜ生成をモデル化する。
• 強い結合定数αₛ(Q²)とS波の径数的波動関数|Rₛ(0)|²を用いて、Γ(ηₜ → gg)の崩壊率を計算し、QCD補正を含める。
• Γ(ηₜ → γγ) = (12Qₜ⁴α²(Q²)/mₙₜ²)|Rₛ(0)|²[1 + (αₛ/π)(π²/3 - 20/3)]を用いて、ηₜ → γγの分岐比を計算する。ここでQₜ = +2/3はトップクォークに対応する。
• 主なバックグラウンドはf̄f → γγおよびgg → γγであり、それぞれ2×10⁴ pbおよび3×10⁵ pbの断面積を持つと推定する。
• 運動量の下限をpT > 0.4mₙₜとし、光子の識別効率を60%として、バックグラウンドを抑制するための運動学的カットを適用する。
• インvariant質量再構成のための質量窓をσₘ = mγγ(0.07/√Eγ + 0.005)として定義し、S = Nₛ/√(Nₛ + Nʙ)を用いて有意性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 |Vtb|が1から著しく低下した場合、LHCで中間子的トップクォーラム（ηₜ）を観測できるか？
• RQ2 LHCおよびVLHCでηₜ → γγの3σおよび5σの発見意義に到達するためのエネルギーおよび照射量要件は何か？
• RQ3 ηₜ → γγの信号断面積は|Vtb|にどのように依存し、検出感度の範囲はどの程度か？
• RQ4 運動学的カットおよび質量窓を用いることで、QCDおよび軽いフレーバー過程由来のバックグラウンドはどの程度抑制可能か？
• RQ5 ηₜ → γγの観測が、追加のSM家族やE₆に由来するアイソスイングレットクォークといった新しい物理の間接的証拠を提供できるか？

主な発見

• ヒッグスボソン質量が120 < mH < 250 GeVの範囲にある間、ηₜ → γγの信号断面積はその影響を受けない。
• |Vtb| = 0.1の場合、√s = 14 TeV、L_int = 1000 fb⁻¹のLHCでは、観測に十分な統計的有意性が得られる。
• √s = 28 TeVのLHCアップグレードでは、|Vtb| ≈ 0.2のηₜが検出可能となり、|Vtb| ≤ 0.25の範囲まで検出可能範囲が拡大する。
• √s = 40 TeVのVLHCでは|Vtb| ≤ 0.25のηₜが観測可能であり、175 TeVのVLHCでは|Vtb| ≈ 0.4までの全範囲がカバー可能となる。
• pT > 0.4mₙₜのカットによりバックグラウンドは顕著に抑制されるが、信号は約40%減少する。これに加え60%の光子識別効率を適用する。
• 統計的有意性S = Nₛ/√(Nₛ + Nʙ)を用いて、高エネルギー加速器では1000 fb⁻¹の統合照射量で十分な発見が可能であると判明した。