[논문 리뷰] Analysis of the top-quark charged-current coupling at the LHeC

I. A. Sarmiento Alvarado, Antonio O. Bouzas외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 단일 반톱 쿼크 생성을 통해 대형 하드론 전자 충돌기(LHeC)가 쿼크-전하 쿼크 상호작용의 정밀도 조사 도구로 사용될 수 있음을 평가한다. LHeC는 특히 좌측 편광 벡터 및 텐서 상호작용에 대해 HL-LHC보다 경쟁력 있고, 일부 경우에 더 뛰어난 감도를 보이며, 강입자 채널에서의 운동학적 비대칭성이 특정 연산자에 대해 감도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In the context of $SU(2)_L imes U(1)$ dimension six operators we study the potential of the LHeC to provide information on top quark effective interactions. We focus on single antitop production and how it is affected not only by the effective $tbW$ coupling but also by four-fermion operators. Compared to the LHC, the LHeC provides a cleaner environment to make a precise measurement of the top quark production cross section. Therefore, this machine would give a much better assesment of $V_{tb}$ in the context of the SM or $V_L$ in the context of higher dimension operators. The LHeC could also give a slightly better measurement for $V_R$. For $g_R$ the HL-LHC precise measurements of $F_L$ and $F_R$ (the $W$-boson helicity decay ratios of top) would yield better constraints than those obtained by the LHeC. Lepton-quark contact interactions would also be significantly better probed by the LHeC, since the only way of measuring them at the LHC would be through leptonic top decay which is hardly sensitive to these interactions.

연구 동기 및 목표

• 단일 반톱 쿼크 생성을 통한 쿼크-상호작용의 정밀도 조사 도구로서 LHeC의 감도를 평가하기 위해, 토퍼 쿼크를 포함한 6차원 $SU(2)_L \times U(1)$ 게이지 불변 연산자에 대한 감도를 평가한다.
• LHeC의 잠재력이 단일 반톱 쿼크 생성을 통해 효과적 상호작용을 제약하는 데 있어 HL-LHC와 어떻게 비교되는지 평가한다.
• 전자 빔 에너지($E_e = 60, 140, 300$ GeV)와 극화가 비정상 상호작용에 대한 감도에 미치는 영향을 평가한다.
• 특히 레프톤 채널과 강입자 채널에서의 횡단면을 초월해 감도를 향상시키는 운동학적 관측량—특히 비대칭성—을 규명한다.

제안 방법

• LHeC에서 $E_e = 60$, 140, 300 GeV로 설정된 $ep$ 충돌에서 단일 반톱 쿼크 생성의 최초 차수 부분론적 분석을 수행한다.
• 4개의 온-shell $tbW$ 상호작용과 4개의 렙톤-쿼크 접촉 상호작용을 포함한 총 31개의 독립적인 6차원 연산자를 통합한다.
• 표준모형 배경 연구를 기반으로 실험적 오차를 추정하며, 신호 및 배경 과정의 세밀한 시뮬레이션을 통해 오차 가정을 도출한다.
• 효과적 상호작용에 대한 제약을 추출하기 위해 횡단면과 22개의 운동학적 비대칭성(강입자 모드) 및 6개의 비대칭성(레프톤 모드)을 사용한다.
• W 보손 스핀 분율과 횡단면 측정을 기반으로 한 단순화된 추정을 통해 LHeC의 감도를 HL-LHC와 비교한다.
• 특히 오른쪽 편광 전자를 포함한 전자 빔 극화 효과를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHeC의 비정상 $V_{tb}$ 상호작용에 대한 감도는 HL-LHC와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 강입자 최종 상태에서의 운동학적 비대칭성은 횡단면을 초월해 효과적 상호작용에 대한 제약을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 전자 빔 에너지와 극화는 특정 비정상 상호작용, 특히 $C_{2,3,4}$에 대해 감도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 LHeC는 LHC에서 잘 탐색되지 않는 4-페르미온 접촉 상호작용에 대해 고유한 제약을 제공할 수 있는가?
• RQ5 LHeC는 $V_L$, $V_R$, $g_L$, $g_R$, $C_i$ 상호작용을 HL-LHC와 비교해 얼마나 잘 탐색하는가?

주요 결과

• 레프톤 채널에서 횡단면 측정 정밀도는 약 3%이며, 강입자 채널에서는 약 6%이며, 전자 빔 극화가 90% 이하일 경우 실험 오차는 거의 영향을 받지 않는다.
• $V_L$에 대해 LHeC는 HL-LHC보다 훨씬 더 날카운 제약을 제공하며, 횡단면 측정이 가장 날카운 제약을 제공한다.
• 강입자 채널은 더 노이지하지만, 운동학적 비대칭성을 통해 $g_R^r$ 및 $C_3^r, C_4^r$에 대한 제약을 횡단면 측정의 절반 정도의 실험 오차로 거의 동일한 정도로 제공한다.
• $C_1$에 대해 LHeC는 HL-LHC보다 약 두 배 더 날카운 제약을 제공하여 이 접촉 상호작용에 대해 더 뛰어난 감도를 보인다.
• 오른쪽 편광 전자 빔은 $C_{2,3,4}$에 대한 감도를 향상시키며, 특히 $C_2$에 대해 $Δ\eta(\bar{b},\ell)$의 비대칭성이 횡단면 측정보다 거의 두 배 더 날카운 제약을 제공한다.
• LHeC는 제3세대 쿼크와 제1세대 렙톤을 포함한 4-페르미온 접촉 상호작용에 대해 고유하고 경쟁 가능한 감도를 제공하며, LHC에서는 잘 탐색되지 않는 영역이다.