[論文レビュー] Production and measurement of $e^{+}e^{-} ightarrow c\bar{c}$ signatures at the 250 GeV ILC

A. Irles Quiles, Roman Poeschl+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、250 GeVの国際線形衝突機（ILC）における $e^+e^- \to c\bar{c}$ 生産の詳細なシミュレーションスタディを提示している。2000 fb$^{-1}$ の全ラミニosityと偏光したビームを用いることで、ILCは $c\bar{c}$ 截面および前後非対称性を合計実験的不確実性約0.2%の精度で測定可能であり、95%信頼水準で最大34 TeVまでのRandal-Sundrum Z'共鳴状態の新物理に感度を持つことが示された。

ABSTRACT

This document discusses for the first time the experimental prospects on the measurement of cross section and the forward-backward asymmetry in $e^{-}e^{+} ightarrow c\bar{c}$ collisions at 250 GeV at the International Linear Collider operating polarised beams. The cross section will be normalised to the total hadronic cross section. We discuss the results for an analysis assuming the integrated luminosity of 2000 fb$^{-1}$ foreseen in the baseline project. The measurement requires determining the charge of both jets identified as originated by a $c$-quark. The charge measurement is optimally performed using the precise micro-vertex detector of the detector ILD and the charged kaon identification provided by the $\frac{dE}{dx}$ information of its TPC. Thanks to the beam polarisation, we can separate the four independent chirality combinations of the electroweak couplings, enhancing in this way the sensitivity to new physics effects. We show that due to the unprecedented precision that will be achieved by the ILC for these observables, the ILC will be sensitive to the existence of beyond the standard model Randal Sundrum resonances of several tens of TeV.

研究の動機と目的

• 250 GeVで動作するILCにおける $e^+e^- \to c\bar{c}$ 截面および前後非対称性の測定の実験的妥当性を評価すること。
• ビームの偏光が $c$-クォークへの電弱結合の4つの独立したヘリシティ構造を解明する上で及ぼす影響を評価すること。
• 特にRandal-Sundrum Z'共鳴状態を含む、標準模型を超える新物理に対するILCの感度を特定すること。
• 高精度なボージェット・バーテックス検出および $dE/dx$ を用いたケイオン識別が $c$-クォークの電荷タグにどのように寄与するかを示すこと。
• フル検出器シミュレーションと再構成を用いて、$R_c$ および $A^{c\bar{c}}_{FB}$ における期待される実験的精度を定量すること。

提案手法

• ILDコンセプトを用いたフル検出器シミュレーション（Mokka/Geant4フレームワークおよびILCSoft再構成ツールを用いて）。
• WHIZARD 1.95を用いたLeading-Orderでのイベント生成、その後Pythia 6.422によるパートンシャワーリングおよびハドロン化。
• 高密度グリッドTDCを用いた $dE/dx$ に基づく荷電ケイオン識別および $c$-クォークタグのための高精度なバーテックス再構成。
• 粒子フロー再構成およびジャケットクラスタリングアルゴリズムを用いて $c\bar{c}$ イベントを分離すること。
• 独立したヘリシティ振幅を測定可能な偏光ビーム設定（$e_L p_R$ および $e_R p_L$）の実装。
• 再構成された角度分布のフィッティングにより $A^{c\bar{c}}_{FB}$ を抽出し、統計的および系境的不確実性を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2000 fb$^{-1}$ の全ラミニosityを有するILC250において、$c\bar{c}$ 前後非対称性 $A^{c\bar{c}}_{FB}$ の期待される精度はどの程度か？
• RQ2 ビームの偏光は、$c\bar{c}$ 生産における電弱結合のヘリシティ構造への感度をどのように向上させるか？
• RQ3 250 GeVにおける $c\bar{c}$ 実験的観測量を用いて、ILCがRandal-Sundrum Z'共鳴状態をどの程度の質量範囲まで探索可能か？
• RQ4 ILD検出器のバーテックスおよび $dE/dx$ 機能が、非対称性測定に不可欠な $c$-クォークの電荷タグを確実に可能にするか？
• RQ5 $R_c$ および $A^{c\bar{c}}_{FB}$ における期待される実験的不確実性が、理論的予想およびLHCの感度と比較してどのように異なるか？

主な発見

• $e_L p_R$ 偏光状態では、$A^{c\bar{c}}_{FB}$ の期待される総実験的不確実性は統計的誤差0.16% + 系境的誤差0.09%であり、$e_R p_L$ 偏光状態では0.20% + 0.10%である。
• 2000 fb$^{-1}$ プログラム全体において、ILCは $A^{c\bar{c}}_{FB}$ について約0.2%の合成実験的精度を達成し、LEP や SLD より顕著に向上した。
• 信号が存在しない場合、ILCは95%信頼水準で最大34 TeVまでのRandal-Sundrum Z'共鳴状態に感度を持つ。
• ビームの偏光により、左・右ヘリシティ振幅を独立して測定可能となり、さまざまなBSMモデルの区別が可能になる。
• ILD検出器の高精度なバーテックス検出および $dE/dx$ に基づくケイオン識別は、$c$-クォークジェットの電荷を解明するために不可欠である。
• ILC250プログラムに加え、GigaZデータの先行情報が得られれば、クォークへの$Z$ボソン結合の精度が約5倍向上し、BSM効果の感度が向上する。