[論文レビュー] W polarization in $e^+e^-$, gluon-gluon and $γγ o W t\bar b $ for testing the top quark mass structure and the presence of final interactions

Fernand M. Renard|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、$e^+e^-$、グルーオン-グルーオン、および$γγ\to Wt\bar{b}$過程における縦方向に偏光した$W$ボソンの研究を通じて、スケール依存のトップクォーク質量$m_t(s)$および最終状態の$Wt$相互作用（例：ダークマター環境からのもの）を調べる。$W_L$偏光率がこれらの効果に敏感であることが示され、$Z$ボソン研究とは異なった観点から、角度分布の逸脱や$m_t(s)$または最終状態の相互作用による率の抑制といった観測可能な兆候を提供する。

ABSTRACT

We analyze the $Wt\bar b$ production processes and especially the rate of longitudinal $W$ polarization sensitive to a possible top quark mass scale dependence and to the presence of strong final state $Wt$ interactions for example generated by a dark matter environment. We give illustrations for the three processes $e^+e^-$, gluon-gluon and $γγ o W t\bar b $.

研究の動機と目的

• 前向きの$Z$ボソンの縦方向偏光研究を$Wt\bar{b}$生成を用いて電荷を帯びた相互作用領域へ拡張すること。
• スケール依存のトップクォーク質量$m_t(s)$が$W_L$偏光率に測定可能な変化を引き起こすかどうかをテストすること。
• ダークマター環境からの可能性のあるものも含め、最終状態の$Wt$相互作用が$W_L$生成率に与える影響を評価すること。
• $e^+e^-$、$gg$、および$\gamma\gamma$過程における$W_L$偏光の感度を比較し、最適な実験的プローブを特定すること。
• 最小限の$m_b$依存性でさえも、$W_L$率が新しい物理的効果に敏感であることを示すこと。

提案手法

• 標準模型の$Wt\bar{b}$生成振幅と同等の$G^{-}t\bar{b}$（ゴールドストーンボソン）振幅を比較し、ベースラインの挙動を確立する。
• スケール依存のトップクォーク質量のテスト関数を導入：$m_t(s) = m_t \frac{m_{th}^2 + m_0^2}{s + m_0^2}$、これにより構造の微細さや新しい物理的効果を模擬する。
• 最終状態相互作用因子$[1 + C(s_{Wt})]$を導入し、$C(x) = 1 + \frac{m_t^2}{m_0^2} \ln\left(-\frac{x}{(m_W + m_t)^2}\right)$として、ダークマターまたは類似環境からの$Wt$相互作用をモデル化する。
• $\sqrt{s} = 5$ TeVで、$e^+e^-$、$gg$、$\gamma\gamma\to Wt\bar{b}$の3つの過程について数値シミュレーションを実施し、$W_L$偏光率$R_L = \sigma(W_L t\bar{b}) / \sigma_{\text{total}}$に注目する。
• 異なる過程間での結果を比較し、新しい物理的効果に対する角度依存性と感度の違いを評価する。
• 具体的なモデルを仮定せずに、定性的な効果を示すために、$m_0 = 2, 4$ TeVおよび$m_0 = 0.5$ TeVといった例示的パラメータを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケール依存のトップクォーク質量$m_t(s)$が、$e^+e^-$、$gg$、および$\gamma\gamma\to Wt\bar{b}$過程における縦方向$W$偏光率に検出可能な影響を与えるか？
• RQ2 ダークマター環境からのような最終状態の$Wt$相互作用は、$W_L$偏光率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 $Wt\bar{b}$過程における$W_L$偏光の感度は、$Zt\bar{t}$過程における$Z_L$偏光の感度と比べてどう異なるか？
• RQ4 $e^+e^-$、$gg$、$\gamma\gamma$初期状態における$W_L$率の角度的およびエネルギー的依存性にどのような差があるか？
• RQ5 $Wt\bar{b}$過程は、標準模型を超える新しい物理をテストするための$Zt\bar{t}$過程の補完的プローブとして機能できるか？

主な発見

• トップクォーク質量がスケール依存の$m_t(s)$に置き換えられると、$W_L$偏光率$R_L$が低下し、特に$e^+e^-$衝突における低角度領域で観測可能な角度分布の変化が生じる。
• 最終状態の$Wt$相互作用を$C(s_{Wt})$でモデル化すると、$W_L$率に測定可能な変更が生じる。その効果は$Zt\bar{t}$の場合と同様の定性的な特徴を示すが、定量的には小さい。
• $\gamma\gamma\to Wt\bar{b}$過程は、自己ゲージ結合に起因する独自の角度的および形状的特徴を示し、新しい物理的効果に対して独立した感度を持つ。
• $gg\to Wt\bar{b}$過程は、$e^+e^-$と同様の定性的な挙動を示すが、$W_T$寄与が小さくなるため、$m_t(s)$および$Wt$相互作用に対してより直接的な感度を示す。
• $m_b$依存性がほとんどない状況でも、$W_L$率は$m_t(s)$に敏感なままであり、トップクォーク構造のプローブとしての有用性が確認された。
• 本研究は、$Wt\bar{b}$過程が、トップクォークダイナミクスにおける新しい物理をテストするための補完的かつ情報豊富なプローブとして機能できることを示した。