[論文レビュー] Results on TOP physics from CMS

G. Krintiras|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 57被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるCMS実験から得られたトップクォーク物理学の結果を包括的にレビューしており、トップクォークの生成断面積、質量、ヤコビー結合定数の精密測定に焦点を当てている。標準模型（SM）との強い一貫性が示され、SMを超える新しい物理の制約がなされ、量子色力学（QCD）における次-leading order（NLO）の理論的計算と高度な実験的手法を用いて、High-Luminosity LHCおよび将来の加速器での未来の感度を予測している。

ABSTRACT

After the discovery of the top quark more than 20 years ago, top quark production cross sections have been meticulously studied. The rich variety of results from the LHC experiments are complemented with increasingly accurate theoretical predictions of heavy quark production and decay. Measurements of the top quark production provide a benchmark test of perturbative quantum chromodynamics and the standard model (SM), constraining at the same time the background in Higgs boson searches as well as extensions beyond the SM. Recent top quark measurements from CMS are reviewed, illustrating past and current experimental methods along with their attained precision. A perspective of top quark physics at the High-Luminosity LHC and at future colliders is briefly given.

研究の動機と目的

• LHCにおけるCMS実験から得られたトップクォーク生成および崩壊に関する最新の精密測定をレビューし統合すること。
• トップクォークのデータが標準模型（SM）とどの程度整合しているかを評価し、SMを超える新しい物理の制約を求める。
• 高エネルギースケールにおける電弱対称性の破れおよび真空安定性をテストするうえで、トップクォーク物理学が果たす役割を評価すること。
• High-Luminosity LHCおよび将来の加速器におけるトップクォーク質量および結合定数の測定精度の向上を予測すること。

提案手法

• さまざまな最終状態におけるトップクォーク対およびシングルトップ生成の包括的および微分断面積測定の活用。
• 系統的不確実性を低減するため、イン・サイトで測定されたbタグ効率を用いた高度な多次元解析手法の適用。
• 信号およびバックグラウンド過程を正確にモデル化するため、次-leading order（NLO）量子色力学計算の実装。
• 電弱精度データおよびヒッグス粒子の測定結果を統合したグローバルフィットを用いて、トップクォーク質量に対する間接的制約を抽出。
• しきい値スキャンおよびトップクォーク質量再構築技術を用いて、トップクォークのヤコビー結合定数とヒッグス場との関係を調査。
• HL-LHCおよび将来の線形衝突機器のシナリオにおけるシミュレーテッドデータを用いた、未来の実験的感度の予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMSのデータを用いて、LHCにおけるトップクォーク質量および生成断面積はどの程度の精度で測定可能か？
• RQ2 トップクォークの測定結果は、高エネルギースケールにおけるヒッグス粒子の自己結合定数および真空安定性をどの程度制約するか？
• RQ3 トップクォーク崩壊におけるフレーバー変換を伴う中性荷電粒子の相互作用（FCNC）の現在の限界は何か？また、標準模型（SM）の予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 トップクォークヤコビー結合定数の精密測定は、標準模型（SM）を超える新しい物理をどの程度制約するか？
• RQ5 High-Luminosity LHCおよび将来の加速器では、トップクォーク質量および結合定数の不確実性はどの程度改善されるか？

主な発見

• 測定されたトップクォーク質量は、電弱精度データからの間接的決定と非常に良好に一致しており、標準模型（SM）の整合性が裏付けられた。
• High-Luminosity LHCでは、トップクォーク質量の不確実性が200 MeVまで低下すると予想され、線形衝突機器におけるしきい値スキャンの精度に近づく。
• トップクォークヤコビー結合定数の標準模型（SM）値に対する比の下限を95%信頼水準で1.9に設定した。
• ヒッグス粒子の自己結合定数は、トップクォーク質量のわずかな変動に敏感であり、±2 GeVの変動によって真空安定性のスケール推定値が複数桁のオーダーで変化する。
• 予測によると、将来の実験ではトップクォークのFCNC崩壊の分岐比を10^-3未満に制約できるようになると示された。これは現在の限界を著しく改善する。
• 測定されたトップクォーク生成断面積は、NLO QCD予測と整合しており、不確実性は理論的および実験的系統的不確実性によって支配されている。