[論文レビュー] Study of Top-Quark Production and Decays involving a Tau Lepton at CDF and Limits on a Charged-Higgs Boson Contribution

CDF Collaboration, T. Aaltonen+407 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

このCDF研究では、9 fb⁻¹のデータを用いて、タウレプトンを含むトップクォーク対生成および崩壊を分析し、単一タウと二重タウの成分を含む尤度推定を実施。ブランチング分率 𝒫(t→τνb) = 9.6 ± 2.8% を測定し、誤差範囲内でレプトン普遍性を確認。トップクォークが電荷を帯びたヒッグスボソンとボトムクォークに崩壊する分率に対する95%信頼区間の上限は5.9%であり、LHCの制約と整合的である。

ABSTRACT

We present an analysis of top-antitop quark production and decay into a tau lepton, tau neutrino, and bottom quark using data from $9 { m fb}^{-1}$ of integrated luminosity at the Collider Detector at Fermilab. Dilepton events, where one lepton is an energetic electron or muon and the other a hadronically-decaying tau lepton, originating from proton-antiproton collisions at $\sqrt{s} = 1.96 TeV$ are used. A top-antitop quark production cross section of $8.1 \pm 2.1 { m pb}$ is measured, assuming standard-model top-quark decays. By separately identifying for the first time the single-tau and the ditau components, we measure the branching fraction of the top quark into tau lepton, tau neutrino, and bottom quark to be $(9.6 \pm 2.8) %$. The branching fraction of top-quark decays into a charged Higgs boson and a bottom quark, which would imply violation of lepton universality, is limited to be less than $5.9%$ at $95%$ confidence level.

研究の動機と目的

• CDFにおける二レプトンt¯tイベントを用いて、トップクォークがタウレプトン、タウニュートリノ、ボトムクォークに崩壊する分率を測定すること。
• 電子およびミューオンモードの平均値と比較することで、トップクォーク崩壊におけるレプトン普遍性を検証すること。
• H⁻→τν崩壊を仮定したもとで、トップクォークが電荷を帯びたヒッグスボソンとボトムクォークに崩壊する分率に対するモデルに依存しない上限を設定すること。
• フィットにCDFの単一レプトンt¯t断面積測定（topsinglelep）を制約として組み込むことで感度を向上させること。

提案手法

• 単一タウと二重タウの最終状態に分離して、t¯tイベントの不変質量分布に対してビン化尤度フィットを実施。
• トップクォークがτνbに崩壊する成分（分率に比例）、Drell-Yan、二ボソン生成、および誤ってタウレプトンと識別されるジェットを含む。
• システムティック不確実性はヌイアンスパラメータとしてモデル化され、最も大きな影響を及ぼすのはジェットがタウレプトンと誤識別される確率である。
• フィットにCDFの単一レプトンt¯t断面積測定（topsinglelep）をχ²フィットの制約として組み込み、分率測定の精度を向上。
• 尤度比法を用いて、t→H⁺bの分率に対する95%信頼区間の上限を設定。
• H⁻→τνの分率が1であると仮定し、CDFの先行結果に基づき、H⁺とWボソンのτチャンネル崩壊における受容率が同一であると仮定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップクォークがタウレプトン、タウニュートリノ、ボトムクォークに崩壊する分率は何か？
• RQ2 t→τνbの測定分率が、t→eνbおよびt→μνbと比較してレプトン普遍性と整合するか？
• RQ3 95%信頼区間において、トップクォークが電荷を帯びたヒッグスボソンとボトムクォークに崩壊する分率に対する上限は何か？
• RQ4 単一レプトンt¯t断面積測定の組み込みが、分率決定の精度をどのように向上させるか？
• RQ5 結果は、以前のおよび現在のLHCによるt→H⁺bの制約とどのように比較できるか？

主な発見

• トップクォークがタウレプトン、タウニュートリノ、ボトムクォークに崩壊する分率は、𝒫(t→τνb) = 9.6 ± 2.8% と測定された。
• 𝒫(t→τνb) と 𝒫(t→eνb) および 𝒫(t→μνb) の平均値の比は 0.88 ± 0.26 であり、レプトン普遍性と整合的である。
• 尤度比法を用いて、95%信頼区間で 𝒫(t→τνb) が15.8%以上であることは排除された。
• H⁻→τνの分率が1であると仮定したもとで、t→H⁺bの分率に対する95%信頼区間の上限は5.9%に設定された。
• この結果は、最近のATLASおよびCMSのLHC制約と整合しており、𝒫(H⁻→τν) = 1 のもとで 𝒫(t→H⁺b) < 0.01–0.05 に制限されている。
• ジェットがタウレプトンと誤識別される影響によるシステムティック不確実性は、尤度形状にほとんど影響を及ぼさず、フィットの堅牢性が裏付けられた。