[論文レビュー] Top Physics at the LHC

C. Weiser|ArXiv.org|Jun 10, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるトップクォーク物理学プログラムを概説し、$t\overline{t}$およびシングルトップイベントを用いたトップクォーク質量、生成特性、およびカップリングの精密測定に焦点を当てる。10 fb$^{-1}$のデータ量で、トップクォーク質量の精度が約1–2 GeVに達することが示され、$t\overline{t}$イベントはジェットエネルギースケールおよびbタギングのキャリブレーションを可能にするとともに、関連する$ttH$生成を通じて軽いヒッグスボソンの発見への道筋も提供する。

ABSTRACT

Top quark physics will be a prominent topic in Standard Model physics at the LHC. The enormous amount of top quarks expected to be produced will allow to perform a wide range of precision measurements. An overview of the planned top physics programme of the ATLAS and CMS experiments at the LHC is given.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMS実験を用いて、LHCにおける包括的なトップクォーク物理学プログラムを確立すること。
• $t\overline{t}$イベントを用いて、約1–2 GeVの精度でトップクォーク質量を測定すること。
• シングルトップ生成を通じて、高精度でCKM行列要素$|V_{tb}|$を決定すること。
• $t\overline{t}$イベントを用いて、ジェットエネルギースケールおよびbタギング効率の検出器キャリブレーションを実施すること。
• 軽いヒッグスボソンの発見およびトップ-ヒッグスヤヌーカカップリングの測定のための$ttH$生成の可能性を調査すること。

提案手法

• 孤立したレプトン、運動量の欠損、および少なくとも4本のジェットを伴う半レプトン的$ t\overline{t} $崩壊（$t\overline{t} \to b\overline{b}l\nu q\overline{q}$）を用いて、トップクォーク質量を再構築する。
• トップクォーク質量測定における軽いジェットエネルギースケールの不確実性への感受性を低減するため、Wボソン質量に制約を課す。
• 再構築における組み合わせ的バックグラウンドを抑制するために、bジェットタギングを用いてトップクォーク崩壊生成物を特定する。
• $t\overline{t}\gamma$イベントにおける光子の横方向運動量スペクトルを分析するか、半レプトン的崩壊におけるジェット電荷推定器を用いて、トップクォークの電荷を測定する。
• トップクォーク静止系におけるレプトンとWボソンのなす角度$\Theta^{*}_{l}$を用いて、トップクォーク崩壊におけるWボソンヘリシティ分率を研究する。
• 完全に再構築された$t\overline{t}$系を用いて、$ttH$イベントにおけるヒッグスボソン崩壊由来のbジェットを特定し、ヒッグスカップリング測定を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける$t\overline{t}$イベントを用いて、トップクォーク質量を約1–2 GeVの精度で測定できるか？
• RQ2 $t\overline{t}\gamma$イベントまたはジェット電荷推定器を用いて、トップクォーク電荷を明確に特定できるか？
• RQ3 $t\overline{t}$イベントは、共鳴的$t\overline{t}$質量状態を通じて新しい物理現象にどの程度感度を持つか？
• RQ4 $ttH$生成を用いて、軽いヒッグスボソンを発見し、トップ-ヒッグスヤヌーカカップリングを測定できるか？
• RQ5 $t\overline{t}$イベントを用いて、ジェットエネルギースケールおよびbタギング効率をイン・サイトでキャリブレーションできるか？

主な発見

• 統合した光度10 fb$^{-1}$の後、トップクォーク質量は約1–2 GeVの精度で測定可能であり、主にbジェットエネルギースケールなどの系統的不確実性に支配される。
• 半レプトン的チャンネルは、好都合な分岐比と効率的なトリガーの両方を備えており、トップ質量測定において最も有望な道筋を提供する。
• 二レプトン的および完全にハドロン的チャンネルは、それぞれ約2–3 GeVのトップ質量精度を達成可能であるが、特に後者は高エネルギーQCDバックグラウンドのため実験的に困難である。
• $J/\Psi$タグ付き半レプトン的チャンネルは、ジェットエネルギースケールにほとんど感受されず、約100 fb$^{-1}$のデータ量で統計的不確実性が約1 GeV程度に期待される。
• 縦方向のWボソンヘリシティ分率$h_W(0)$は、10 fb$^{-1}$のデータ量で統計的および系統的不確実性の合計が約0.045に達する。
• Wグルーオン融合によるシングルトップ生成は、30 fb$^{-1}$のデータ量で$|V_{tb}|$を統計的不確実性約0.4%で決定可能であり、理論的および光度の不確実性に制限される。