[論文レビュー] Top Couplings: pre-Snowmass Energy Frontier 2013 Overview

J. Adelman, B. Álvarez González+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 62被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるトップクォーク結合に関する包括的な概要を提供し、W、Z、光子、ヒッグスボソンとの相互作用に関する測定結果と未来の展望に焦点を当てる。理論的予測とRun 1の実験的結果を詳細に記述し、生成率と偏極解析がトップクォーク結合の主要なプローブであることを強調する。今後の高インテンシティLHCデータにより、標準模型の精密な検証およびそれ以上の新物理の探求が可能になると期待される。

ABSTRACT

Overview on top couplings measurements is presented, and the prospects of future measurements are discussed. The coupling of top to the W boson can be examined either by looking at the decay of the top quark or from single top quark production. With the advent of high statistics top physics at the LHC and at the high-luminosity LHC, the processes where the bosons (photon, Z and Higgs) are produced in association with top quarks become accessible. The first evidence on the coupling of the top quark to these particles will come from the production rate.

研究の動機と目的

• LHCにおけるトップクォーク結合の現在の実験的および理論的状況を要約すること。
• トップクォーク生成および崩壊過程が標準模型を超える新物理にどのように敏感であるかを評価すること。
• 特にトップクォークがZ、光子、ヒッグスボソンと結合する場合の未来の測定可能性を概説すること。
• Wtb頂点の構造を調べる上でのトップクォーク偏極およびジェット多重度の役割を評価すること。
• モンテカルロシミュレーションとデータを比較して、ジェットおよびベクトルボソンとともに生成されるトップクォーク生成の理論的予測の妥当性を検証すること。

提案手法

• MCFMを用いた次次精度（NLO）QCD計算により、中心系エネルギーに応じたトップクォーク断面積を予測する。
• Wボソンのスピン状態の割合を抽出するために、トップクォーク崩壊の角度分布を分析する。正規化された角度分布は $\frac{1}{N}\frac{dN}{d\cos\theta_{e}^{*}} = \left[\frac{3}{4}\sin^{2}\theta_{e}^{*}F_{0} + \frac{3}{8}(1-\cos\theta_{e}^{*})^{2}F_{L} + \frac{3}{8}(1+\cos\theta_{e}^{*})^{2}F_{R}\right]$ で与えられ、$F_0 = \frac{m_t^2}{m_t^2 + 2M_W^2}$ である。
• CDF、ATLAS、CMSの実験的データを、ベイズ的および正則化されたアンフォールド技術を用いて、モンテカルロ生成器（Powheg、MadGraph、MC@NLO、Herwig）と比較し、検出器効果を補正する。
• 2次元尤度識別子と、レプトン+ジェットおよび二レプトンチャンネルにおける粒子レベルのジェット多重度分布を用いて、$t\bar{t}+j$ の断面積を測定する。
• $t\bar{t}+H$ および $t+H$ 生成断面積を評価し、後者の場合に理論的に顕著なキャンセルが生じることに注目し、これが新物理に敏感である可能性を指摘する。
• 粒子レベルの補正と応答行列を用いて、データと予測を比較し、MC@NLOがジェット多重度を低く予測しているという乖離を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップクォーク崩壊の偏極を用いて測定された、トップクォーク-Wボソン結合に対する現在の実験的制約は何か？
• RQ2 $t\bar{t}+\gamma$、$t\bar{t}+Z$、$t\bar{t}+H$ の生成率は、NLO QCD予測とどのように比較されるか？ これらはトップクォーク結合に何を明らかにするか？
• RQ3 Powheg、MadGraph、MC@NLO などのモンテカルロ生成器は、データにおける $t\bar{t}+j$ ジェット多重度分布をどの程度正確に記述しているか？
• RQ4 $t+H$ 生成断面積の重要性は何か？ 予測されたキャンセルからのずれは、新物理を示唆する可能性があるか？
• RQ5 $t\bar{t}$ イベントにおけるジェット多重度分布は、基礎となるQCDダイナミクスおよび検出器モデル化をどの程度制約するか？

主な発見

• 定義1（少なくとも1つの一致しない粒子ジェットを含む）を用いた測定による $t\bar{t}j$ 断面積は $\sigma_{t\bar{t}j} = 102 \pm 2~{\rm(stat.)}^{+23}_{-25}~{\rm(syst.)}$ pb であり、包含的 $t\bar{t}$ に対する比は $0.54 \pm 0.01~{\rm(stat.)}^{+0.05}_{-0.08}~{\rm(syst.)}$ である。
• ATLASおよびCMSが測定した $t\bar{t}$ + ジェットのジェット多重度分布は、Powheg+PythiaおよびMadGraph+Pythiaと良好に一致しているが、ジェット多重度が低く、ジェットがややソフトである予測をするMC@NLOとは一致しない。
• CMSが測定した $\sigma(t\bar{t}bb)/\sigma(t\bar{t}jj)$ の比は $3.6 \pm 1.1~{\rm(stat.)} \pm 0.9~{\rm(syst.)}$% であり、NLO予測の1.2–1.3%とは顕著に高い。
• $t+H$ 生成断面積は、トップクォークとWボソンの発光図式の間で理論的に顕著なキャンセルが生じるため非常に小さくなると予測されており、トップ-ヒッグス結合の符号を変える新物理が存在する可能性に極めて敏感である。
• CDFおよびATLASによる $t\bar{t}+\gamma$ 断面積の測定では、トップ崩壊生成物からの光子放射を含むNLO QCD補正が、データとの一致に不可欠であることが判明した。
• $t\bar{t}+Z$ および $t+Z$ 生成率は、トップ-Z結合およびフラバー変化型中性荷電現在に敏感であり、トップクォークの中性荷電現在崩壊に対する制限は、このような結合を制約している。