[論文レビュー] Top-Quark Asymmetry -- A New Physics Overview

Susanne Westhoff|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、テバトロンで観測されたトップクォークの前向き・後向き非対称性の異常を説明する新しい物理学モデルをレビューしている。主な対象はsチャネルの軸性グルーオン、tチャネルのフレーバー違反$Z^\prime$ボソン、uチャネルの色三重項スカラーである。これらのモデルは、QCD振幅と次数の干渉によって木レベルで大きな非対称性を生成可能であり、LHCにおける$M_{t\bar{t}}$スペクトルとピエロラティチュードにおける電荷非対称性の測定によって、$Z^\prime$およびアキシグルーオンモデルを区別できる。

ABSTRACT

Several recent measurements at the Tevatron experiments point towards an anomalously large forward-backward asymmetry in top-antitop production. This article summarizes the main classes of physics beyond the standard model that can give rise to a large asymmetry. Complementary measurements at the Large Hadron Collider will allow to distinguish between different models and thereby contribute to clarifying the presently puzzling picture.

研究の動機と目的

• テバトロンで観測されたトップクォーク対生成における大きな前向き・後向き非対称性を説明できる、妥当な新しい物理学モデルの同定と分類。
• 特にアキシグルーオン、フレーバー違反$Z^\prime$ボソン、色三重項スカラーといった、トップクォーク対生成における特徴的なシグネチャを示す、競合する新しい物理学のシナリオを区別すること。
• LHCにおける補完的測定、特に$M_{t\bar{t}}$スペクトルとピエロラティチュード非対称性を用いて、これらのモデルを区別し、標準模型との現在の不一致を解消すること。

提案手法

• 次元6の四クォーク演算子を用いた有効場理論を用いて、トップ反トップ生成における前向き・後向き非対称性$A_{\rm{FB}}^{t}$を分析し、QCD振幅との干渉に注目する。
• 新しい媒介粒子の量子数に基づいて、新しい物理学の寄与を分類する：sチャネル（アキシグルーオン）、tチャネル（$Z^\prime$）、uチャネル（色三重項スカラー）、それぞれが異なるフレーバーおよびゲージ量子数を持つ。
• 測定された$t\bar{t}$全断面積およびインバリアント質量分布との整合性、フレーバー物理学およびLHC探索の制約を満たすことで、モデルの妥当性を評価する。
• 色三重項スカラー$S_{\overline{3}}$のuチャネル交換を用い、非対称なフレーバー結合をとることで、フレーバー変換中性荷電子（FCNC）およびジジェット制約を回避する。
• LHCにおける$\eta$非対称性$A_{\eta}^{t}$を、トップと反トップクォーク間のピエロラティチュード差分を用いて定義し、電荷非対称生成のプローブとして提案する。
• LHCデータ、特に$M_{t\bar{t}}$スペクトルと比較し、共鳴的（アキシグルーオン）と非共鳴的（フレーバー違反$Z^\prime$）寄与を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クォークへの木レベル結合を持つ新しい物理学モデルが、テバトロンで観測されたトップクォーク対生成における大きな前向き・後向き非対称性を説明できるか？
• RQ2 アキシグルーオン、$Z^\prime$ボソン、色三重項スカラーといった、異なる新しい物理学媒介粒子は、非対称性への寄与およびその素粒子的シグネチャでどのように異なるか？
• RQ3 LHCにおける$M_{t\bar{t}}$スペクトルと$A_{\eta}^{t}$非対称性を用いて、これらのモデルをどの程度区別できるか？
• RQ4 ジジェット生成におけるフレーバー対角およびフレーバー変換寄与が、妥当なモデルを制約するために重要なのはなぜか？
• RQ5 $Z^\prime$モデルが非アーベル的$SU(2)^{ut}_{R}$フレーバー対称性によって保護される場合、同じ符号のトップ生成を回避しながら、大きな非対称性を生成できるか？

主な発見

• テバトロンにおけるトップクォーク対生成の観測された前向き・後向き非対称性は、標準模型の予測を$M_{t\bar{t}} > 0.45$ TeVの高インバリアント質量領域で最大3σの有意差で上回っている。
• クォークへの軸性ベクトル結合を持つアキシグルーオンは、QCDグルーオンと干渉することで大きな非対称性を生成でき、$M_G \sim 1$ TeVで$M_{t\bar{t}}$スペクトルに共鳴が予想される。
• tチャネルのフレーバー違反$Z^\prime$ボソンは、$M_{W^\prime} = 200$ GeVのとき最大30%の非対称性を生成可能であり、非アーベル的$SU(2)^{ut}_{R}$フレーバー対称性によって同じ符号のトップ生成から保護されている。
• 非対称なフレーバー結合を持つ色三重項スカラー$S_{\overline{3}}$は、ジジェット生成の強い制約を回避でき、危険なFCNCを誘発せずに非対称性に寄与できる。
• LHCにおける$M_{t\bar{t}}$スペクトルは、アキシグルーオン（共鳴）と$Z^\prime$モデル（尾部の増強）を区別できる。一方、$A_{\eta}^{t}$は1〜2%の予想される系統誤差を伴い、補完的プローブとして有効である。
• $Z^\prime$モデルは、非アーベル的フレーバー対称性によって保護されない限り、LHCにおける同じ符号のトップ探索で95%信頼水準で除外されるが、その対称性のおかげで、大きな非対称性を生成しながらもそのシグネチャを回避できる。