[論文レビュー] Probing leptoquark chirality via top polarization at the Colliders

Joydeep Roy|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、高エネルギー加速器におけるトップクォーク対生成におけるトップクォークのスピン極化を用いて、レプトクォークのヘリシティをプローブする手法を提案する。完全なハドロン的および半レプトン的崩壊におけるバリオンクォークのエネルギー比を用いてトップクォークのヘリシティを再構築することで、純粋に左巻きのベクトルレプトクォークが標準模型の $t\bar{t}$ 背景と区別可能であることを示した。FCC-hh加速器では高い背景率にもかかわらず、強い感度を示すことが明らかになった。

ABSTRACT

Anomalies in recent LHCb, Belle and Babar measurements of $R_{D^{(*)}}$, and $R_{K^{(*)}}$ in $B$ decays may indicate the new physics beyond the Standard Model (SM). The leptoquarks ($LQ$) that couple to the $3^{\mathrm{rd}}$ generation quarks and leptons have been proposed as a viable new physics (NP) explanation. Such left-handed $LQ$s can couple to both bottom and top quarks. Since top particles decay before the hadronization, it is possible to reconstruct chirality of boosted top quarks and consequently the chirality of top coupling to the $LQ$s. We perform analysis on the top quark's chirality in the pair-production channel of the $LQ$, which can be purely left-handed in comparison to unpolarized $t\bar{t}$ SM background. We study the prospects of distinguishing the chirality of a potential $LQ$ signal for the high luminosity run of the LHC and other future colliders.

研究の動機と目的

• 第三世代クォークおよびレプトンと結合するレプトクォークのヘリシティが、加速器におけるトップクォーク極化を用いてプローブ可能かどうかを調査すること。
• $R_{D^{(*)}}$ および $R_{K^{(*)}}$ の崩壊における異常を解明するため、$B-L$ 守恒を保ち、急速な陽子崩壊を回避するレプトクォークモデルを検討すること。
• トップ崩壊におけるバリオンクォークエネルギー比を用いて、トップクォークのヘリシティをモデルに依存しない方法で再構築する手法を開発すること。これは、トップクォークがハドロン化する前に崩壊するという事実を利用している。
• 特にハイリタニティティビューエル・LHC（HL-LHC）およびFCC-hhを含む将来の加速器の感度を評価し、純粋に左巻きのベクトルレプトクォーク信号を検出可能かどうかを検討すること。
• 特に欠落横断運動量（MET）カットを含む運動量カットを用いて、レプトクォーク信号と支配的である標準模型の $t\bar{t}$ 背景を区別すること。

提案手法

• トップクォークとチャージドレプトンと結合する純粋に左巻きのベクトルレプトクォーク $U_3 = (\mathbf{3},\mathbf{3},2/3)$ を対象とする。
• トップクォークのヘリシティは、崩壊生成物におけるバリオンクォークエネルギー比を用いて再構築され、これはトップクォークのスピンの性質に敏感なモデルに依存しない変数である。
• 信号および標準模型の $t\bar{t}$ 背景イベントを、$\sqrt{s} = 13~\mathrm{TeV}$（LHC）および $\sqrt{s} = 100~\mathrm{TeV}$（FCC-hh）でモンテカルロシミュレーションにより生成した。
• エネルギーおよびMETカットを含む運動量カットを適用し、標準模型の背景を抑制しながら信号イベントを保持する。
• バリオンクォークエネルギー比について4つのビンに分けて解析を行い、$\chi^2$ を用いた感度テストにより、95%信頼水準での発見に必要な全流量を評価した。
• この $\chi^2$ 関数は $\chi^2 = \sum_{i=1}^{4} \frac{(x_i - \mu_i)^2}{\sigma_i}$ として定義され、ここで $x_i$ は信号の予測値、$\mu_i$ は標準模型の背景、$\sigma_i = x_i + \mu_i$ である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第三世代フェルミオンと結合するレプトクォークのヘリシティが、加速器におけるトップクォーク極化を用いてプローブ可能か？
• RQ2 バリオンクォークエネルギー比は、左巻きと右巻きのトップクォーク崩壊を区別するモデルに依存しない観測量としてどれほど有効か？
• RQ3 HL-LHCおよびFCC-hhで、純粋に左巻きのベクトルレプトクォーク信号を95%信頼水準で発見するためにはどの程度の全流量が必要か？
• RQ4 HL-LHCとFCC-hhにおける信号対背景比はどのように変化するか？METカットは標準模型の $t\bar{t}$ 背景を効果的に抑制できるか？
• RQ5 FCC-hhでは標準模型の $t\bar{t}$ 背景率が高いため、それでもレプトクォーク信号と標準模型の $t\bar{t}$ 背景を区別可能か？

主な発見

• HL-LHCでは $150~\mathrm{fb}^{-1}$ の全流量で、信号イベントは約1.5件しか予想されず、純粋に左巻きのレプトクォークを検出する感度は著しく低いことが示された。
• FCC-hhでは $1000~\mathrm{fb}^{-1}$ の全流量で、約 $2.2 \times 10^5$ 件の信号イベントが予想され、レプトクォーク信号に対して強い感度を示した。
• 95%信頼水準での発見に必要な全流量は、FCC-hhでは $0.363~\mathrm{fb}^{-1}$ と推定されたが、HL-LHCでは $3.6 \times 10^5~\mathrm{fb}^{-1}$ を超える必要があり、HL-LHCではこの信号に対して感度がないことが明らかになった。
• バリオンクォークエネルギー比は、左巻きのトップクォークと右巻きのトップクォークを明確に区別できるモデルに依存しないシグネチャを提供し、ヘリシティ再構築が可能である。
• METカットは標準模型の $t\bar{t}$ 背景を顕著に低減し、信号対背景比を向上させ、レプトクォーク信号の区別性を高めた。
• FCC-hhでは標準模型の $t\bar{t}$ 背景率が高かったが、信号の特徴的なスペクトル形状のおかげで、効果的な分離が可能であり、将来の加速器におけるヘリシティプローブの実現可能性が確認された。