[論文レビュー] Probing New Physics using top quark polarization in the e+e- -> t \bar{t} process at future Linear Colliders

P. H. Khiem, E. Kou+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、将来の線形衝突機における $e^+e^- \to t\bar{t}$ におけるトップクォークのスピン極化を、完全にレプトン最終状態を用いて調査し、行列式法を用いて $Vt\bar{t}$ 耦合を高精度に探査する。$\sqrt{S} = 500$ GeV で 500 fb$^{-1}$ のデータ取得条件下で、10個のフォーム因子を1%未塔の精度で同時に決定できることを示し、NLO電弱補正およびビームの偏極が感度に与える影響の重要性を強調している。

ABSTRACT

We investigate the sensitivity to new physics of the process e+e- -> t bar{t} when the top polarization is analyzed using leptonic final states e+e- -> t \bar{t} -> l+l- b \bar{b} nu_l \bar{nu}_l. We first show that the kinematical reconstruction of the complete kinematics is experimentally tractable for this process. Then we apply the matrix element method to study the sensitivity to the Vt\bar{t} coupling (V being a vector gauge boson), at the tree level and in the narrow width approximation. Assuming the ILC baseline configuration, sqrt{S}=500 GeV, and a luminosity of 500 fb^{-1}, we conclude that this optimal analysis allows to determine simultaneously the ten form factors that parameterize the Vt\bar{t} coupling, below the percent level. We also discuss the effects of the next leading order (NLO) electroweak corrections using the GRACE program with polarized beams. It is found that the NLO corrections to different beam polarization lead to significantly different patterns of contributions.

研究の動機と目的

• 将来の $e^+e^-$ 衝突機における完全にレプトン的な $t\bar{t}$ 衰えの運動量再構築の可能性を評価すること。
• 樹形レベルでの $Vt\bar{t}$ 耦合を通じた新物理に対するトップクォーク極化の感受性を調査すること。
• 次-leading order (NLO) 電弱補正が極化測定に与える影響を評価すること。
• 偏極ビームがフォーム因子およびCP非対称パラメータの感受性を高める役割を定量化すること。

提案手法

• レプトンおよびボトムクォークの運動量から、$e^+e^- \to t\bar{t} \to l^+l^-b\bar{b}\nu_l\bar{\nu}_l$ 終状態における完全な $t\bar{t}$ 動力学的構造を行列式法で再構築する。
• 狭帯域幅近似および樹形レベルの有効場理論を用い、$Vt\bar{t}$ 耦合を10個のフォーム因子でパラメータ化する。
• GRACEプログラムを用い、偏極ビームを伴うNLO電弱補正を計算することで、理論的不確実性を評価する。
• シミュレートされたイベントからフォーム因子およびCP非対称パラメータを抽出するために、尤度に基づくアプローチを採用する。
• 対数尤度からの共分散行列の逆行列を用い、フォーム因子の統計的不確実性を決定する。
• 感度を最適化するために、ビーム偏極状態（$P_{e^-} = \pm80\%$, $P_{e^+} = \mp30\%$）を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の $e^+e^-$ 衝突機において、完全にレプトン的な最終状態への $t\bar{t}$ 衰えの完全な運動量構造を高精度に再構築できるか？
• RQ2 ILCのベースラインエネルギーにおける、$Vt\bar{t}$ 耦合をパラメータ化する10個のフォーム因子に対するトップクォーク極化の感受性はいかほどか？
• RQ3 NLO電弱補正は、トップクォーク極化およびフォーム因子感受性の測定にどのように影響するか？
• RQ4 偏極ビームは、$t\bar{t}$ セクターにおけるCP非対称相互作用の解明にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 行列式法により、完全にレプトン的な最終状態における $t\bar{t}$ 動力学的構造の高精度な再構築が可能となり、トップクォークスピンおよび生成角度の決定が可能となる。
• $\sqrt{S} = 500$ GeV で 500 fb$^{-1}$ のデータ取得条件下で、10個のすべての $Vt\bar{t}$ フォーム因子を1%未塔の精度で測定できる。
• NLO電弱補正は、異なるビーム偏極状態に対して顕著に異なるパターンを示し、偏極依存の理論的不確実性を示している。
• 高い実験的精度が想定される状況では、理論的誤差をパーミリルレベルで制御するにはNLO補正の組み込みが不可欠である。
• 行列式法は、従来の手法と比較してCP非対称パラメータの感受性をほぼ1桁向上させ、$\sigma[\alpha_r] \simeq \sigma[\alpha_i] \simeq 0.01$ を達成している。
• 共分散行列の解析により、逆共分散行列への寄与は $\omega_r$ および $\omega_i$ のみであることが確認され、CP奇数パラメータ抽出のためのこの手法の頑健性が裏付けられた。