[論文レビュー] Role of transverse polarization in constraining new physics

Saurabh D. Rindani|ArXiv.org|Sep 2, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、$e^+e^-$衝突における横スピン化（TP）が、標準模型を超えるCP対称性の破れを示す新しい物理を、特に$S$、$P$、$T$型の結合に敏感な方位角非対称性を通じて探る可能性を示している。$√{s} = 500$ GeVおよび$500~{ m fb}^{-1}$の条件下で、$e^-$が80%、$e^+$が60%横スピン化されている場合、新しい物理のスケール$Λ \gtrsim 7~{ m TeV}$の90%信頼区間の下限を設定し、縦スピン化のみでは到達できない領域を凌駕する。

ABSTRACT

Transverse polarization (TP) can be used to study interference of (S,P) or T type couplings from new physics with the SM contribution. In e+e- -> t tbar, a CP-odd azimuthal asymmetry can constrain the scale Lambda of new (S,P) or T contact interactions to be higher than about 7 TeV for total c.m. energy of 500 GeV, integrated luminosity of 500 inverse fb, and assuming 80% e- and 60% e+ polarizations in opposite directions. In e+e- -> gamma Z without chirality violation, but with CP-violating anomalous gamma-gamma-Z couplings, an azimuthal asymmetry can probe the anomalous coupling down to about 10^{-2}.

研究の動機と目的

• 横スピン化（TP）が、標準模型を超えるCP対称性の破れを示す新しい物理に特異な感度を提供するかどうかを調査すること。
• TPと縦スピン化の感度を比較し、$S$、$P$、$T$型の接触相互作用を調べる際の性能を評価すること。
• 最終状態粒子のスピン化を必要としないTPに基づくCP奇非対称性を構築し、統計的パワーを向上させること。
• TPに基づく非対称性を$e^+e^-\to t\bar t$および$e^+e^-\to \gamma Z$過程に適用し、新しい物理のスケールと異常結合を制限すること。
• TPが縦スピン化では失敗するが、ヘリシティ反対の相互作用を検出可能であることを示すこと。

提案手法

• 次元6の新しい物理を記述するモデルに依存しない四フェルミ相互作用のラグランジアンを構築し、$S$、$V$、$A$、$P$、$T$結合を含める。
• $e^+$と$e^-$ビームが横スピン化されている場合の$e^+e^-\to t\bar t$および$e^+e^-\to \gamma Z$の角度分布を導出する。
• SMの$\gamma/Z$交換と$S$および$T$結合の干渉に起因する、$\mathrm{Im}\,S$に敏感なCP奇方位角非対称性$A(\theta_0)$を定義する。
• 非対称性を用いて、$\mathrm{Im}\,S$の90%信頼区間（C.L.）の上限を設定し、それが新しい物理のスケール$\Lambda$の制限にどのように変換されるかを評価する。
• $\gamma Z$最終状態に対して、$\mathrm{Re}\,\lambda_2$に敏感なT奇、CP奇非対称性を定義し、異常な$\gamma\gamma Z$および$\gamma ZZ$結合に起因する項を抽出する。
• $e^+e^-\to \gamma Z$過程において、非対称性を用いて異常結合を約$10^{-2}$まで探査可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $e^+e^-$衝突における横スピン化は、標準模型を超えるCP対称性の破れを示す新しい物理を、モデルに依存しない方法で新たに探査可能か？
• RQ2 横スピン化は、縦スピン化や非スピン化ビームと比較して、$S$、$P$、$T$型結合の感度をどのように向上させるか？
• RQ3 横スピン化に基づくCP奇非対称性は、最終状態粒子のスピン化を必要とせず、ヘリシティ反対の相互作用を検出可能か？
• RQ4 横スピン化を用いた$e^+e^-\to t\bar t$接触相互作用において、新しい物理のスケール$\Lambda$の感度限界はどの程度か？
• RQ5 横スピン化は、ヘリシティ反対の相互作用が存在しない場合でも、$\gamma Z$のような中性最終状態におけるCP対称性の破れを検出可能か？

主な発見

• $\sqrt{s} = 500$ GeVおよび$500~{\rm fb}^{-1}$の$e^+e^-\to t\bar t$過程において、$e^-$が80%、$e^+$が60%横スピン化されている場合、新しい物理のスケールに90% C.L.の下限$\Lambda \gtrsim 7~{\rm TeV}$が設定される。
• $e^-$の横スピン化のみの場合、感度は$\Lambda \gtrsim 5~{\rm TeV}$に低下し、$e^+$のスピン化の重要性が示される。
• CP奇非対称性$A(\theta_0)$は$\mathrm{Im}\,S$に比例し、$S \equiv S_{RR} + \left(2c_A^t c_V^e / c_V^t c_A^e\right)T_{RR}$として定義される。これにより、$S$および$T$結合の直接的探査が可能になる。
• $e^+e^-\to \gamma Z$において、T奇、CP奇非対称性は$\mathrm{Re}\,\lambda_2$に敏感であり、$\sin^2\theta\cos\theta\sin 2\phi$に比例する項を分離可能で、異常な$\gamma\gamma Z$結合の探査が可能になる。
• 26°の角度カットを用いた場合、$\mathrm{Re}\,\lambda_2$の90% C.L.の上限は$< 6.2 \times 10^{-3}$であり、約$10^{-2}$の結合に対する感度が示された。
• 横スピン化により、縦スピン化では存在しないCP対称性の破れを示す非対称性が得られ、特に$S$および$T$結合に対して、ヘリシティ反対の新しい物理に特異なアクセスが可能になる。