[論文レビュー] Report of the Topical Group on Top quark physics and heavy flavor production for Snowmass 2021

R. Schwienhorst, Doreen Wackeroth+69 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

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ひとこと要約

このSnowmass 2021レポートは、HL-LHCおよび将来の加速器におけるトップクォークおよび重いフラバー（ボトム、 charm）物理学の可能性を概説し、トップクォーク質量、ヨーグラフカップリング、および標準模型ボソンへのカップリングの高精度測定を強調している。将来のレプトン衝突機における50 MeV未満の質量精度と、将来のハドロンおよびレプトン衝突機における1%レベルのカップリング測定を達成するには、N³LO QCDおよびNNLO EW計算、PDFの不確実性低減、トップクォーク質量のスケーマーのキャリブレーションといった主要な理論的課題が不可欠である。

ABSTRACT

This report summarizes the work of the Energy Frontier Topical Group on EW Physics: Heavy flavor and top quark physics (EF03) of the 2021 Community Summer Study (Snowmass). It aims to highlight the physics potential of top-quark studies and heavy-flavor production processes (bottom and charm) at the HL-LHC and possible future hadron and lepton colliders and running scenarios.

研究の動機と目的

• HL-LHCおよび将来のレプトンおよびハドロン衝突機におけるトップクォークおよび重いフラバー（ボトム、 charm）生成の物理学的潜在能力を評価すること。
• 50 MeV未満のトップクォーク質量精度および1%レベルのカップリング測定を達成するために必要な理論的および実験的課題を特定すること。
• トップクォークの最終状態が、フラバー変換を伴う中性荷電ボソン、SUSY、複合性、接触相互作用を含むBSM物理学にどの程度感受性であるかを評価すること。
• 将来の実験精度に見合った高次のQCDおよびEW計算、改善されたPDF、より良いパートンシャワー・モデリングが、将来の高精度測定を実現するために不可欠であることを確立すること。
• エネルギー・フロントエンドにおける高精度トップ物理学のためのロードマップを提示することで、将来の加速器および理論研究開発を導くこと。

提案手法

• HL-LHC、ILC、CLIC、FCC-ee、FCC-hhにおけるトップクォークおよび重いフラバー測定の包括的プログラムを提案し、包含的および微分的断面積を用いる。
• 高度な理論的計算に依存する：トップ対生成のためのN³LO QCD、関連過程のためのNNLO QCD、および電弱補正の組み込み。
• 実験精度に適合するように、トップクォークMC質量を明確に定義された摂動的スケーマにキャリブレーションすることを強調する。
• 前方の重いフラバー測定と改善されたグローバルPDFフィットを通じて、PDFの不確実性低減を統合する。
• 有効場理論（EFT）フィットを用いて、トップクォークがW、Z、ヒッグス、および4トップ相互作用に及ぼすウィルソン係数を制約する。
• 表10を用いて、将来の選択肢間の加速器の到達範囲を比較し、トップ質量、ヨーグラフカップリング、およびカップリング強度の不確実性を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のレプトン衝突機におけるトップクォーク質量測定の精度はどの程度達成可能であり、50 MeV未満の不確実性に到達するにはどのような理論的進展が必要か？
• RQ2 高次のQCDおよび電弱補正（N³LO、NNLO）は、HL-LHCおよびそれ以降の加速器におけるトップクォーク断面積およびカップリング測定の精度にどのように影響するか？
• RQ3 前方領域におけるトップおよび重いフラバー生成の微分的測定を通じて、PDFの不確実性はどの程度低減可能か？
• RQ4 将来の加速器が、特にフラバー変換を伴う中性荷電ボソンおよび接触相互作用を含む、トップクォークカップリングを通じてBSM物理学にどの程度感受性を持つのか？
• RQ5 強い結合定数に対するより強い制約があるため、円形レプトン衝突機（FCC-ee）が線形衝突機（ILC）よりもトップクォーク質量およびカップリングの決定において優れているのはどの程度か？

主な発見

• FCC-eeがトップ閾値（340 GeV）で運転する場合、50 MeV未満のトップクォーク質量精度が達成可能であり、HL-LHCの約500 MeVの目標を著しく上回る。
• FCC-hhではトップクォークヨーグラフカップリングが1.0%の精度で測定可能であり、HL-LHCで予想される2–4%から著しく改善され、高エネルギーのレプトンまたはハドロン衝突機が不可欠である。
• FCC-eeおよびILC 500では、右巻きトップ-Wおよびトップ-Zカップリングが0.01 TeV⁻²未満の不確実性でプローブ可能であり、BSMモデルの感受性の高いテストが可能になる。
• フラバー変換を伴う中性荷電ボソン（FCNC）カップリング、たとえば$ tZu $および$ t\bar{u}\tilde{\nu} $は、レプトン衝突機で10⁻⁶分岐比レベルまでプローブ可能であり、ハドロン衝突機の到達範囲を上回る。
• 4トップカップリング$ c_{tt} $はFCC-hhで0.024 TeV⁻²まで制約可能であり、HL-LHCの0.6 TeV⁻²を上回り、新しい物理学に対する感受性が向上していることを示している。
• 前方の重いフラバー測定によるPDF不確実性の低減は、トップ対生成における理論的不確実性の主因であるため、極めて重要である。