[論文レビュー] Tevatron Top Quark Forward-Backward Asymmetry -- Implications for Same-sign Top Quark Pair Production

Edmond L. Berger|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 70被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、テバトロンにおけるトップクォークの前後方向非対称性の説明として、フレーバー変換型の $Z^\prime$ ボソンを検討し、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における同じ符号のトップクォーク対（$tt$）生成率の増加を予測している。7 TeVで35 pb$^{-1}$のCMSデータは、この非対称性を説明するために必要なパラメータ空間を除外しており、単純な $Z^\prime$ モデルは観測と整合しない。

ABSTRACT

The forward-backward asymmetry for top quarks measured in proton-antiproton collisions at the Tevatron shows an interesting deviation from standard model expectations. Among possible interpretations, the exchange of a non-universal, flavor-changing $Z^\prime$ is of some interest as it naturally predicts a top quark in the forward region of rapidity. To reproduce the size of the Tevatron asymmetry, the couplings of the $Z^\prime$ to standard model quarks must be large, inevitably leading to production of same-sign top quark pairs at the Tevatron and at the Large Hadron Collider (LHC). We discuss the constraints on this model from (a) the Tevatron $t \bar{t}$ cross section, (b) the Tevatron $t \bar{t}$ invariant mass distribution, and the limits at the Tevatron on the same sign top quark pair cross section. We explore the discovery potential for $tt$ and $ttj$ production in early LHC experiments at 7 TeV and conclude that if a $tt$ signal is not observed with 1 fb$^{-1}$ of integrated luminosity, then a non-universal $Z^\prime$ alone cannot explain the Tevatron forward-backward asymmetry. Limits on the same sign cross section at the LHC from the CMS collaboration already disfavor this interpretation of the reported asymmetry.

研究の動機と目的

• 標準模型の予想を超えて、テバトロンで観測されたトップクォークの前後方向非対称性を説明すること。
• 非ユニフォームでフレーバー変換型の $Z^\prime$ ボソンが非対称性の原因である可能性を評価すること。
• テバトロンの制約に基づいて、LHCにおける同じ符号のトップクォーク対生成率を予測すること。
• 初期LHCランにおける $tt$ および $ttj$ 終状態の発見可能性を評価すること。
• トップクォークのスピン極化が、このモデルと他の新しい物理の可能性を区別できるかをテストすること。

提案手法

• 右側の $u$-$t$-$Z^\prime$ 耦合を持つ $t$-チャネル $Z^\prime$ 交換による $t\bar{t}$ 生成をモデル化し、$B_d$ 混合制約を避けるために $f_L=0$ と設定する。
• テバトロンの $A_{\rm FB}$ および $t\bar{t}$ 総断面積のデータを用いて $f_R$ と $m_{Z^\prime}$ を制約する。
• LHCにおける $tt$ および $tt\bar{u}$ 生成の包括的断面積を $f_R$ と $m_{Z^\prime}$ の関数として計算する。
• 運動量のカットおよび再構成技術（MT2法を含む）を適用し、$t\to Wb$ 衰えの特定とトップクォークのスピン極化測定を実施する。
• ニュートリノの運動量を殻上条件を用いて再構成し、トップクォーク静止系における電荷レプトンの角度分布を決定する。
• 予測された $tt$ および $ttj$ 確率と、7 TeVで35 pb$^{-1}$のデータから得られたCMS実験的制限を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 右側のカップリングを持つフレーバー変換型 $Z^\prime$ ボソンは、テバトロンにおけるトップクォークの前後方向非対称性を説明できるか？
• RQ2 この $Z^\prime$ モデル下で、LHCにおける同じ符号のトップクォーク対生成率（$tt$）は予測されるか？
• RQ3 予測された $tt$ および $ttj$ 生成率は、LHCの既存の実験的制限（CMS）と整合するか？
• RQ4 $tt$ イベントにおけるトップクォークのスピン極化は、測定可能であり、このモデルと他の新しい物理のシナリオを区別できるか？
• RQ5 $ttj$ 終状態は、トップクォークと軽いジェットのインヴァリアント質量を用いて $Z^\prime$ 共鳴質量を再構成する手段を提供するか？

主な発見

• 大きな右側カップリング $f_R$ を持つ $Z^\prime$ モデルは、$t\bar{t}$ 総断面積およびインヴァリアント質量分布と整合しながら、テバトロンの前後方向非対称性を説明可能である。
• このモデルは、大きな $uu$ パートン光度のおかげで、LHCにおける顕著な同じ符号のトップクォーク対生成を予測しており、$m_{Z^\prime} \lesssim 1$ TeV では断面積が数フェムトバーンに達する。
• 7 TeVで35 pb$^{-1}$のCMSデータは、テバトロンの非対称性を説明するために必要なパラメータ空間（$f_R \gtrsim 0.5$, $m_{Z^\prime} > 200$ GeV）を95%信頼水準で除外している。
• $tt$ イベントにおける電荷レプトンの $\cos\theta$ 分布が、右側のトップクォーク極化に期待される $1+\cos\theta$ 形式と一致しており、モデルの運動論的シグネチャーを支持している。
• $ttj$ 終状態は、トップクォークと軽いジェットのインヴァリアント質量を用いて $Z^\prime$ 質量を再構成する可能性を提供するが、$tt$ よりも生成率は小さい。
• 初期LHCデータ（1 fb$^{-1}$の統合された線量）において $tt$ シグナルが観測されなかったことから、単純な $Z^\prime$ モデルはテバトロンの非対称性を完全に説明するものではないと結論づけられる。