[論文レビュー] Same sign top-pairs in a non-universal Z' model at the LHC

Sudhir Kumar Gupta|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける非ユニバーサルな $Z^{\backprime}$ モデルにおいて、フラーバー変換型 $Z^{\backprime}$ ボソンを介した同一スピンのトップクォーク対生成を、同一スピンの二レプトン最終状態を用いて調査する。$M_{T_2}$ を用いたオンシェル再構成と角度分布を用いることで、トップクォーク質量および $Z^{\backprime}$ スピンの測定が可能であり、14 TeV での 10 fb$^{-1}$ の光度条件下で LHC の感度が $g_X \sim 5 \times 10^{-3}$ に達することを示している。これにより $Z^{\backprime}$ 耦合定数の直接的プローブが可能となる。

ABSTRACT

We analyse same sign dilepton signatures in a non-universal flavor changing Z' model. These arise due to tt (or t_bar t_bar) production processes due to the semi-leptonic decays of (anti)tops. We also discuss top reconstruction and spin measurement using the variable MT2 and MT2-Assisted On-Shell (MAOS) Momentum} techniques and will also provide a comparison with the on-shell mass relation method. Sensitivities to the flavor-changing top coupling has also been estimated for different LHC energies and projected LHC luminosities corresponding to them.

研究の動機と目的

• LHC における非ユニバーサルな $Z^\prime$ モデルで、フラーバー変換型 $Z^\prime$ ボソンを介した同一スピンのトップクォーク対生成を研究すること。
• $M_{T_2}$ および MAOS 技術を用いたトップクォーク再構成およびスピン測定の実現可能性を評価すること。
• 異なるセンター・オブ・マスエネルギーおよび光度における $Z^\prime$-トップカップリング $g_X$ に対する LHC の感度を推定すること。
• $R_t = \sigma_{\bar{t}\bar{t}} / \sigma_{tt}$ の比がカップリング強度に依存しない $Z^\prime$ メスのプローブとして果たす役割を調査すること。

提案手法

• 右巻きの $Z^\prime$ がトップおよびアップクォークと $3\times3$ カップリング行列を介して相互作用するモデルを構築し、$\eta_{31} \neq 0$ とする。
• CTEQ6L1 のパートン分布関数と $\mu_R = \mu_F = \sqrt{\hat{s}}$ を用いて、$tt + \bar{t}\bar{t}$ 生成の全断面積を計算する。
• 同一スピンの二レプトン最終状態からのトップクォーク質量再構成に $M_{T_2}$ および MAOS 動的法を用いる。
• 部分的中心系フレームにおけるトップクォークの角度分布を用いて、$Z^\prime$ ボソンのスピンおよびヘリシティをプローブする。
• 少なくとも 5 個の信号イベントが各光度点で得られる条件で LHC 感度を推定し、$\sqrt{S} = 7, 10, 14$ TeV および $\mathcal{L} = 10$ fb$^{-1}$ のプロジェクションを生成する。
• NNLO-NLL QCD K 要素（Kidonakis:2003sc から）を用いて断面積を約 20% 向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC における $tt$ および $\bar{t}\bar{t}$ 生成の同一スピン二レプトンの署名は、トップクォークへのフラーバー変換型 $Z^\prime$ カップリングをプローブできるか？
• RQ2 $M_{T_2}$ および MAOS 技術は、この $Z^\prime$ 介在過程におけるトップクォーク質量再構成にどの程度効果的か？
• RQ3 $tt$ の中心系フレームにおけるトップクォークの角度分布は、$Z^\prime$ ボソンのスピンおよびヘリシティを区別できるか？
• RQ4 異なるエネルギーおよび光度における LHC がプローブ可能な $Z^\prime$-トップカップリング $g_X$ の最小値は何か？
• RQ5 $R_t = \sigma_{\bar{t}\bar{t}} / \sigma_{tt}$ の比は、カップリング強度および QCD 補正に依存しない $Z^\prime$ メスのプローブを提供するか？

主な発見

• $M_{T_2}$ を用いたオンシェル（MAOS）運動量技術は、オンシェル質量関係法と同等の精度でトップクォーク質量を再構成できるが、情報量がやや少ないため $M_{T_2}$ のほうがわずかに優れている。
• $R_t = \sigma_{\bar{t}\bar{t}} / \sigma_{tt}$ の比は、$Z^\prime$ カップリング $g_X$ や QCD/EW 補正に依存しないため、LHC における $m_{Z^\prime}$ の強力なプローブとなる。
• $tt$ の中心系フレームにおけるトップクォークの角度分布は、$m_{Z^\prime}$ が増加するにつれて減少するディップを示し、これにより $Z^\prime$ メスの特定とそのベクトル的性質の確認が可能となる。
• $\sqrt{S} = 14$ TeV および $\mathcal{L} = 10$ fb$^{-1}$ 条件では、LHC は $g_X \sim 5 \times 10^{-3}$ まで $Z^\prime$-トップカップリングをプローブ可能であり、感度は $1/\sqrt{\mathcal{L}}$ の割合で向上する。
• NNLO-NLL QCD K 要素を含めると断面積が約 20% 向上し、$m_{Z^\prime}$ が一定の条件下で最小で検出可能な $g_X$ は約 1.1 倍小さくなる。
• $m_{Z^\prime} = 300$ GeV の場合、$g_X \sim 0.01$ でも同一スピン二レプトン信号は有効であり、$m_{Z^\prime} = 1.2$ TeV の場合でも $g_X \sim 0.2$ で検出可能な率を示しており、LHC での検出可能性が示唆される。