[論文レビュー] Perspectives for Top quark physics at High-Luminosity LHC

M. Selvaggi|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ハイ・リタニティ・LHC（HL-LHC）におけるトップクォーク物理学の可能性を評価し、3 ab⁻¹の統合 luminosityが10億レベルのトップクォークイベントサンプルを可能にする予測を示している。積み重ねと放射線による実験的課題を詳細に提示し、異常なトップクォーク結合（例：|d_A,V| < 0.02）やフラーバー変換を伴う中性荷電現在（例：BR(t→Zq) < 5×10⁻⁵）に対する感度を予測することで、HL-LHCが標準模型を超える新しい物理学を1%レベルの精度で探査できる可能性を示している。

ABSTRACT

The High-Luminosity LHC is expected to provide $3 ab^{-1}$ of integrated luminosity. As a result billions of events containing top quarks will be detected at the CMS and ATLAS experiments, allowing for precise measurements of the top quark properties. The experimental challenges that will be faced in a high luminosity environment, with a special focus on top quark related observables are examined. We discuss prospects for measuring top quark anomalous couplings at the HL-LHC. Projections for detecting flavor changing neutral currents involving top quarks are also reviewed.

研究の動機と目的

• HL-LHCにおける高積み重ねと放射線レベルがトップクォーク測定に与える実験的課題を評価すること。
• 有効場理論とイベント運動学を用いて、トップクォーク結合測定の感度を予測すること。
• トップクォーク崩壊におけるフラーバー変換を伴う中性荷電現在（FCNC）の発見可能性を評価すること。
• 3 ab⁻¹のデータにおける、希少トップ崩壊のブランチ比制限の予想される改善を定量化すること。

提案手法

• 異常なトップクォーク結合をモデル化するために有効場理論（EFT）を用い、クロモ電気的およびクロモ磁気的デュポールモーメントを含む。
• インバリアント質量、横方向運動量、およびジェット質量分布などのイベントレベルの観測量を用いて、異常結合を調べる。
• 高積み重ねによるE_T^missおよびジェットエネルギー分解能の低下を軽減するために、ジェットグルーミングおよび積み重ね削除技術を採用する。
• モンテカルロシミュレーションとブーストおよび高運動量領域における信号-バックグラウンド分離を用いて感度を向上させる。
• 複数のレプトン、bジェット、および欠落エネルギーを含む最終状態を分析し、希少トップ崩壊を分離する。
• ATLASおよびCMS共同研究の妥当性が確認されたシミュレーションを基に統計的外挿を用いて制限を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高積み重ねと放射線がHL-LHCにおけるトップクォーク物理学に与える主な実験的課題は何か？
• RQ2 3 ab⁻¹のデータを用いて、異常なトップクォーク結合（例：クロモデュポールモーメント）はどの程度の精度で制約されるか？
• RQ3 HL-LHCは、10⁻⁵のブランチ比レベルでトップクォークのフラーバー変換を伴う中性荷電現在（FCNC）を探査可能か？
• RQ4 高出力データを用いた希少トップ崩壊（例：t→Zqおよびt→cH）の予想される感度は何か？
• RQ5 ジェットグルーミングおよび拡張されたトラッカー受容域は、高多重度環境におけるトップクォーク再構築をどのように向上させるか？

主な発見

• HL-LHCは3 ab⁻¹の統合 luminosityを提供すると予測され、10億レベルのトップクォークイベントの観測が可能になる。
• 異常なクロモデュポールモーメント結合 |d_A,V| は、HL-LHCで0.02未満に制約される。
• 大きな運動量移動を伴うシングルトップ sチャネル生成は、異常なテンソル結合に感度を持ち、予測される制限として |g_A,V| < 0.10 が得られる。
• 3レプトン最終状態におけるttZ生成は、テンソル型結合に感度を持ち、|C²_Z,A|,|C²_Z,V| < 0.08 の制限が得られる。
• トップヒッグス結合は、H→γγおよびH→ττチャンネルにおけるttH生成を通じて、HL-LHCでΔy_t/y_t ≈ 10% の精度で測定可能である。
• フラーバー変換を伴う中性荷電現在に関しては、3 ab⁻¹のデータを用いてt→Zqのブランチ比制限がBR(t→Zq) < 5×10⁻⁵にまで向上すると予測され、過去の制限より10倍の改善が見込まれる。