[論文レビュー] Z Polarization in $e^+e^- o t\bar t Z$ for testing the top quark mass structure and the presence of final interactions

Fernand M. Renard|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、$e^+e^- \to t\bar{t}Z$ におけるZボソンの偏光を測定することで、トップクォーク質量構造および新しい物理を探る手法を提案する。$R_L$（縦方向Zボソン$Z_L$の割合）を分析することにより、標準模型（SM）予測からのずれ——特に$R_L \propto m_t^2$——が、トップクォークの複合構造や質量生成に関連する最終状態相互作用（例えばダークマター結合を含む）を露にする可能性があることを示している。

ABSTRACT

We show that the measurement of the $Z$ polarization in the $e^+e^- o t\bar t Z$ process would allow an interesting determination of the role of the top quark mass. This can be used for testing the possibility of top compositeness or of the occurence of final state interactions related to the mass generation in particular the interaction with dark matter.

研究の動機と目的

• $e^+e^- \to t\bar{t}Z$ における縦方向Zボソン分率（$R_L$）が、トップクォーク質量構造にどのように情報を含んでいるかを調査すること。
• トップクォークの複合性やダークマターとの最終状態相互作用といった非標準的効果が、$R_L$率にどのように影響を与えるかをテストすること。
• 運動量依存のトップクォーク質量効果や、$Z_L$を介した最終状態相互作用が、Zの偏光測定によって検出可能かどうかを調査すること。
• 将来の高エネルギー$e^+e^-$衝突機におけるトップクォーク質量生成メカニズムを探るための現象論的フレームワークを提供すること。

提案手法

• $e^+e^- \to t\bar{t}Z$ における$Z_L$生成断面積（$\sigma(t\bar{t}Z_L)$）を、標準模型のフェ Feynman 図（a–e）を用いて計算し、高運動量$p_Z$におけるゲージキャンセレーションを含める。
• $R_L = \sigma(t\bar{t}Z_L) / \sigma(t\bar{t}Z_T + Z_L)$ を主要観測量とし、ゴールドストーンボソン生成の$R_L(G^0)$と比較する。
• 複合性効果をモデル化するため、運動量依存の有効トップクォーク質量$m_t(s) = m_t (m_0^2 + m_{\text{th}}^2)/(s + m_0^2)$ を導入する。
• 最終状態相互作用を、$Z_L t$および$Z_L \bar{t}$散乱に対して、$m_0 = 0.5$ TeVとして$C(x) = 1 + \frac{m_t^2}{m_0^2} \ln\left(-x/(m_Z + m_t)^2\right)$ という現象論的テスト因子でモデル化する。
• SM予測および$b\bar{b}Z$過程との比較により、トップクォーク質量効果を分離する。
• コリネアント特異性を避けるためのカットを施した運動量積分を実行し、$R_L$が$p_Z$、$\theta_Z$、および部分エネルギースケール$s_{Zt}$、$s_{Z\bar{t}}$、$s_{t\bar{t}}$ にどのように依存するかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型において、$e^+e^- \to t\bar{t}Z$ における$Z_L$分率（$R_L$）はトップクォーク質量にどのように依存するか？
• RQ2 複合性に起因する運動量依存の有効トップクォーク質量が、$R_L$に測定可能なずれを生じるか？
• RQ3 縦方向Zボソンとトップクォークの間の最終状態相互作用（例：$Z_L t \to Z_L t$）が、SM予測を上回る形で$R_L$を変化させるか？
• RQ4 トップクォーク質量生成とダークマター相互作用の間の関係を、$Z_L$を介した最終状態過程を通じて示すような運動量的シグネチャーは何か？

主な発見

• 標準模型では、高$p_Z$領域における$R_L$は$m_t^2$に比例し、等価原理に従って$G^0$生成比と一致する。これは$Z_L$生成における$m_t^2$依存性を確認する。
• $\theta_Z = \pi/2$ の場合、高$p_Z$領域で$t\bar{t}Z$の$R_L$は$R_L(G^0)$に非常に近づき、SM予測の妥当性と$m_t^2$スケーリングの役割が裏付けられる。
• 有効$\boldsymbol{m_t(s)}$モデルを用いると、$m_0 = 2$ または $4$ TeV の場合、高$p_Z$領域で$R_L$が顕著に減少し、複合性に起因するSMからの検出可能なずれが示唆される。
• $C(x)$を用いた最終状態$Z_L t$および$Z_L \bar{t}$相互作用のモデル化により、低$p_Z$領域で$R_L$が増大し、$G^0 \to Z_L$遷移を含めると効果がさらに強化される。
• $b\bar{b}Z$過程では$t\bar{t}Z$に比べて$R_L$が著しく小さいため、$m_t^2/m_b^2$スケーリングが確認され、$R_L$がトップクォーク質量に敏感であることが裏付けられる。
• $C(x)$の任意の選択と$m_0 = 0.5$ TeVの設定により、運動量依存の$R_L$変化が得られ、Zの偏光測定が非標準的質量生成メカニズムを探査可能であることを示している。