[論文レビュー] Reconstructing top quarks at the upgraded LHC and at future accelerators

R. Calkins, S. Chekanov+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、アップグレードされたLHCおよび将来の線形衝突機における高レベルのピルアップおよび高エネルギー化したトップクォークの再構築技術を提示する。ジェットのグローミングと面積ベースのピルアップ削除法が、質量分解能とタギング効率を顕著に向上させることを示している。一方、線形衝突機では、100 MeV未満の精度でトップクォーク質量、スピン状態、結合定数を精密に測定可能であり、これは標準模型を超える新しい物理を探る上で極めて重要である。

ABSTRACT

This report describes the studies performed for the Snowmass "Top algorithms and detectors" High Energy Frontier Study Group.

研究の動機と目的

• アップグレードされたLHCにおける高ピルアップ条件下でのトップクォーク再構築の課題に取り組む。この状況では、系統的不確実性が支配的である。
• ジェットエネルギースケールおよびピルアップ関連の不確実性を低減することで、トップクォーク質量および断面積測定を改善する。
• 1 TeVを超える高運動量のトップクォークを特定するための、頑健なジェット構造解析技術を開発する。
• 将来の$e^+e^-$線形衝突機（例：ILC）が、最小限のバックグラウンドと高光度で、高精度のトップクォーク物理学を実現する可能性を探る。
• 標準模型の検証および新しい物理の探査を可能にするために、トップクォークの性質（質量、スピン状態、結合定数など）を高精度で測定することを可能にする。

提案手法

• 高密度環境におけるピルアップ効果を軽減するために、面積ベースの4元ベクトル減算法と、ジェットのグローミング（トリミング、プローニング、フィルタリング）を適用する。
• 高運動量領域におけるトップクォーク崩壊の識別にジェット構造解析アルゴリズムを用い、$p_T \sim 1$ TeVにおける質量分解能およびタギング効率を評価する。
• 高$p_T$における性能維持のため、$\Delta R$スケーリングを施したトップタギングパラメータを導入し、検出器のグレインネスおよび放射線汚染の影響を考慮する。
• EFlow Delphesを用いて検出器応答をシミュレートし、$p_T$が増加するに従い質量分解能およびタギング効率がどのように劣化するかを評価する。
• 線形衝突機における偏光ビームを活用し、左巻きおよび右巻きのトップクォークサンプルを豊かにし、$t\bar{t}$結合におけるヘリシティ構造を調べる。
• 光度およびビーム偏光の測定を0.5%未満の精度で制御することで、トップクォーク質量および結合定数の決定における系統的誤差を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アップグレードされたLHCにおける高ピルアップ条件下で、ジェット構造解析およびピルアップ低減技術が、トップクォーク質量分解能およびタギング効率をどのように向上させるか？
• RQ2 1 TeVを超える高エネルギー化したトップクォークにおいて、トップタギングおよび質量分解能の性能劣化はどの程度であり、それをどのように緩和できるか？
• RQ3 ILCのような線形衝突機は、最小限のバックグラウンドで、トップクォーク質量、スピン状態、電弱結合定数をどの程度の精度で測定可能か？
• RQ4 ジェットエネルギースケールや$b$タギングなどの検出器レベルの効果が、トップクォーク断面積および質量測定における系統的不確実性にどのように影響するか？
• RQ5 高エネルギー先端装置における将来のトップクォーク測定は、コンポジット性や追加次元といった新しい物理のシナリオを探査可能か？

主な発見

• ジェットのグローミング技術により、$b$-ジェットと比較して、軽いジェットの混入が半分に削減され、170 GeV近辺でトップジェット質量分布の形状が10%以内の精度で維持される。
• 高エネルギー化したトップクォークでは、エネルギースケールが高く、検出器との相互作用領域が小さいため、ピルアップ効果はやや軽減されるが、依然として注意深い削除処理が不可欠である。
• EFlow Delphesシミュレーションでは、$p_T \sim 0.8$ TeVから$p_T \sim 1.6$ TeVにかけて、質量分解能が2倍劣化するが、より細かいECAL分割と$\Delta R$スケーリングを施したタギングパラメータを用いることでこれを緩和可能である。
• ILCでは、トップクォーク質量の測定精度が40 MeV未満に達し、理論的変換不確実性は約100 MeV程度に抑えられ、真空安定性の検証が可能になる。
• ILCにおける偏光ビームにより、左巻きおよび右巻きのトップクォークサンプルが豊かにされ、ヘリシティ結合のずれや10 TeVを超えるスケールでの新しい物理の感度が得られる。
• 光度およびビーム偏光の系統的誤差が0.5%未満に制御されれば、電弱結合定数は1%レベルの精度で決定可能となる。