[論文レビュー] Top quark precision physics at the International Linear Collider

D. M. Asner, André H. Hoang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 63被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、閾値付近の $e^+e^- \to t\bar{t}$ における国際線形衝突機（ILC）の高精度測定が、トップクォーク質量、幅、電弱結合の高精度決定を可能にすると提案している。ILCの偏光付きビームとクリアな初期状態により、LHCの能力をはるかに上回る新物理（特にCP保存およびCP破れ形式因子）への感受性が得られ、68.3%信頼水準で形式因子のずれまで $\sim$0.01の感度が予想される。

ABSTRACT

Top quark production in the process $e^+e^- ightarrow t\bar{t}$ at a future linear electron positron collider with polarized beams is a powerful tool to determine the scale of new physics. Studies at the $ tbar$ threshold will allow for precise determination of the top quark mass in a well defined theoretical framework. At higher energies vector, axial vector and tensorial CP conserving couplings can be separately determined for the photon and the $Z^0$ component in the electro-weak production process. The sensitivity to new physics would be dramatically improved w.r.t. to what expected from LHC for electroweak couplings.

研究の動機と目的

• 国際線形衝突機（ILC）が閾値およびその上での $e^+e^- \to t\bar{t}$ を用いたトップクォーク物理学の可能性を検討すること。
• $t\bar{t}$ 閾値断面積の形状を用いて、モデルに依存しない精度でトップクォーク質量および幅を決定すること。
• 光子および $Z^0$ ボソンに対するトップクォークのベクトル、軸性ベクトル、テンソル結合を別々に測定すること。
• CP保存およびCP破れ形式因子の精密測定を通じて、標準模型を超える新物理を探る。
• トップクォーク結合を通じて、強いダイナミクス、合成ヒッグス、リトルヒッグスモデルを含む理論の検証にILCを独自のツールとして確立すること。

提案手法

• ILCの精密に調整可能な中心系エネルギーを用い、$t\bar{t}$ 生成閾値を走査することで、トップクォーク質量および幅の高精度抽出を実現する。
• 電子および陽電子ビームの偏光を活用し、前後非対称性や偏光非対称性といったスピン依存観測量にアクセスする。
• 微分断面積および角度分布の測定により、トップクォークの $\gamma$ および $Z^0$ ボソンへのベクトル、軸性ベクトル、テンソル結合を抽出する。
• QCDで $N^3$LO まで、電弱補正でNLOまでの理論計算を適用し、断面積では1%未満、非対称性では $\sim$10%未満の理論的不確実性を制御する。
• WHIZARDイベントジェネレータを用いて $t\bar{t}$ イベントをシミュレートし、シングルトップ生成との干渉をモデル化し、運動量カットを適用してバックグラウンドを抑制する。
• 実際の全ラミニングおよびビーム偏光の仮定に基づき、$\gamma$ および $Z^0$ に対する形式因子 $\widetilde{F}^{X}_{2A}$（実部および虚部を含む）の新物理への感受性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCは、閾値における $e^+e^- \to t\bar{t}$ を用いて、100 MeV未満の精度でトップクォーク質量を測定できるか？
• RQ2 ILCは、トップクォークの $\gamma$ および $Z^0$ ボソンへのベクトル、軸性ベクトル、テンソル結合をどれほど明確に分離して測定できるか？
• RQ3 ILCのトップクォーク形式因子（特にCP破れのもの）への感受性が、LHCを上回るのはどの程度か？
• RQ4 特にNLO電弱レベルの理論的不確実性が、ILCにおけるトップクォーク結合測定の精度に与える影響は何か？
• RQ5 ILCは、ランディンソン＝サンズ、合成性、リトルヒッグスなどのモデルで予測されるトップクォーク結合の標準模型からのずれを検出できるか？

主な発見

• ILCは、閾値における $e^+e^- \to t\bar{t}$ を用いて、モデルに依存しない精度でトップクォーク質量を100 MeV未塔で測定可能である。
• ILCは、CP保存形式因子 $\widetilde{F}^{X}_{2A}$ に対して68.3%信頼水準で $\sim$0.01の感度を達成し、LHCの感度をはるかに上回る。
• ILCは偏光および角度分布の測定を通じて、トップクォークの $\gamma$ および $Z^0$ ボソンへのベクトル、軸性ベクトル、テンソル結合を別々に決定可能である。
• CP破れ形式因子、特に $\mathrm{Im}\,\widetilde{F}^{Z}_{2A}$ への感度は68.3%信頼水準で $\sim$0.015に達し、トップクォーク系における新物理の探査が可能になる。
• QCD補正の理論的不確実性は断面積では1%未塔、非対称性では $\sim$10%未塔であり、理論的入力の制御がきわめて良好であることが示された。
• ILCのクリアな初期状態および高い全ラミニングにより、特に $Z^0$ が媒介する過程において、LHCに比べ10倍の新物理効果への感受性が向上する。