[論文レビュー] Rare exclusive hadronic W decays in a t-tbar environment

Michelangelo L. Mangano, Tom Melia|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける$ t\bar{t} $環境下で、$ W\to\pi\gamma $ や $ W\to\pi\pi\pi $ などのレアで排他的なハドロン的W崩壊を、単一粒子ジェット分離法を用いてQCD背景を抑制することで測定することを提案する。高統計の$ t\bar{t} $事象と、レプトン的W崩壊およびbジェットのタグを活用することで、従来のハドロン衝突機では測定が困難であった排他的な最終状態にアクセス可能となり、HL-LHCでは$ W\to\pi\gamma $に対して約5σの信号の有意水準が達成可能であり、100 TeV衝突機では約10σが期待される。

ABSTRACT

The large cross section for t-tbar production at the LHC and at any future hadron collider provides a high-statistics and relatively clean environment for a study of W boson properties: after tagging on a leptonic decay of one of the Ws and the two b-jets, an additional W still remains in the event. We study the prospect of making the first exclusive hadronic decay of a fundamental boson of the standard model, using the decay modes W to pi gamma and W to pi pi pi, and other related decays. By using strong isolation criteria, which we impose by searching for jets with a single particle constituent, we show that the three particle hadronic W decays have potential to be measured at the LHC. The possibility of measuring an involved spectrum of decay products could considerably expand our knowledge of how the W decays, and experimental techniques acquired in making these measurements would be useful for application to future measurements of exclusive hadronic Higgs boson decays.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突機における排他的ハドロン的W崩壊を測定する際の圧倒的なQCD背景の課題を克服すること。
• LHCおよび将来のハドロン衝突機における高い$ t\bar{t} $生成断面積を活用し、1つのレプトン的W崩壊と2つのbジェットをタグした後、残りのWボソンを研究できるクリアな環境を構築すること。
• 単一粒子ジェット分離法を新たなジェット構造解析手法として用いることで、$ W\to\pi\gamma $ や $ W\to\pi\pi\pi $ などのレアで排他的なハドロン的崩壊の測定可能性を実証すること。
• 実験的手法をWボソン系に開発することで、将来の排他的ハドロン的ヒッグス崩壊の高精度測定のための概念実証を提供すること。
• 現在のPDGの上限を超える、特に $ W\to\pi\gamma $ および $ W\to D_s^+\gamma $ のようなレアW崩壊の実験的探査範囲を拡大すること。

提案手法

• 1つのWがレプトン的崩壊し、2つのbジェットがタグされた$ t\bar{t} $イベント環境を用い、残りの1つのWボソンを研究対象とする。
• 単一粒子ジェット分離法を適用：1つのハドロン的または電磁的成分しか持たないジェットを要件とすることで、$ W\to\pi\gamma $ や $ W\to\pi\pi\pi $ のような排他的な最終状態を特定する。
• QCDにおける単一パートオンジェットの稀少性に基づく強い分離基準を導入し、一般的なハドロン的活性の背景を低減する。
• 信号と背景をシミュレートするための粒子レベルモンテカルロ研究を実施し、特に $ W\to\pi\gamma $ および $ W\to\pi\pi\pi $ の崩壊モードに注目する。
• 演算子積展開（OPE）と有効場理論を用いて、$ W\to\pi\gamma $ の振幅を計算し、主たる位相のオペレーターを保持し、$ \omega = -2p\cdot q/q^2 $ について展開する。
• 振幅の計算結果を既存の結果（例：AMP）と比較し、形式因子の正規化および高次の補正を考慮した上で一貫性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧倒的なQCD背景があるにもかかわらず、LHCで $ W\to\pi\gamma $ などの排他的ハドロン的W崩壊を測定することは可能か？
• RQ2 高多重度のハドロン的環境下で、単一粒子ジェット分離法は、レアで排他的なW崩壊最終状態を特定する有効な手法であるか？
• RQ3 $ t\bar{t} $タグ法を用いた場合、HL-LHCおよび将来の100 TeV衝突機における $ W\to\pi\gamma $ の観測に期待される有意水準は何か？
• RQ4 OPEおよび有効場理論に基づく $ W\to\pi\gamma $ の理論的予測は、既存の文献結果とどのように一致するか？
• RQ5 ハドロン衝突機における$ t\bar{t} $環境は、$ e^+e^- $衝突機におけるZボソン崩壊と同様に、レアW崩壊の測定に実用的なプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• HL-LHCにおける$ t\bar{t} $環境は、bジェットおよびレプトン的W崩壊のタグを経て、約$ O(10^9) $個のトリガ可能なWボソンを提供し、高統計的解析が可能となる。
• 単一粒子ジェット分離法はQCD背景を効果的に抑制し、LHCにおける排他的ハドロン的W崩壊の測定を可能にする。
• HL-LHCでは $ W\to\pi\gamma $ に対して約5σの信号の有意水準が達成可能であり、10 ab$^{-1}$ のデータで100 TeV衝突機では約10σにまで上昇する。
• OPEを用いた $ W\to\pi\gamma $ の振幅計算結果は、形式因子の正規化および高次補正を補正した後、既存の結果（例：AMP）と一致する。
• $ W\to\pi\gamma $ の崩壊率は約10^{-9} GeVと推定され、有効場理論およびQCDのダイナミクスの予測と整合的である。
• 本研究は、ハドロン衝突機における基本的ボソンの排他的ハドロン的崩壊を測定するための概念実証を確立し、将来のヒッグスボソン崩壊研究に影響を与える。