[논문 리뷰] Asymmetric Leptons for Asymmetric Tops

Arvind Rajaraman, Ze’ev Surujon외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 루미노사티비티가 35 pb$^{-1}$일 때도 기존 LHC 데이터로 표준모형을 벗어난 모형, 특히 풍미 비대칭 쿠플링을 가진 $Z^\prime$ 모형에서 예측하는 같은 전하의 톰 쿼크 쌍 생성을 감지하기 위해 단일 레프톤 전하 비대칭도를 사용할 것을 제안한다. 이 방법은 기존 데이터로도 표준모형에서의 편미분을 탐지할 수 있으며, 중요한 매개변수 영역을 배제하거나 탐지할 수 있으며, 1 fb$^{-1}$의 데이터로 5σ의 의미를 가질 수 있다.

ABSTRACT

We propose an efficient method to explore models which which produce like-sign tops at the LHC, using the total charge asymmetry of single lepton events instead of like-sign dileptons. As an example, the method is implemented on a Z' Model, which can explain the top pair forward-backward asymmetry at Tevatron. We show that a large region of the parameter space of this model can be reached using the existing data set at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 강력한 서명인 같은 전하의 톰 쿼크 쌍 생성에 대해 더 효율적인 탐색 전략을 개발하는 것.
• 톰 쿼크 붕괴에서 두 레프톤의 분해율이 약 5%인 전통적인 같은 전하의 이레프톤 탐색의 제한된 통계적 능력을 해결하는 것.
• 한 쿼크가 레프톤으로 붕괴하고 다른 쿼크가 강입자로 붕괴하는 단일 레프톤 이벤트의 높은 효율성(약 30%의 분해율)을 활용하여 제한된 데이터로 감도를 높이는 것.
• 기존의 같은 전하의 톰 쿼크 탐색과는 다른 시스템적 오차를 가지며, 제트-가짜 레프톤 배경에 덜 민감한 보완 가능한 관측량을 제공하는 것.
• 테바트론에서 관측된 톰 쿼크의 전방-후방 비대칭도를 설명할 수 있는 $Z^\prime$ 모델의 타당성을 LHC의 더 높은 에너지와 데이터량을 활용해 검증하는 것.

제안 방법

• 단일 레프톤 이벤트에서의 전하 비대칭도를 측정하며, 이는 $\mathcal{A}_{1\ell} = \frac{N(\text{톰 쿼크 쌍} \to 1\ell^+) - N(\text{톰 쿼크 쌍} \to 1\ell^-)}{N(\text{톰 쿼크 쌍} \to 1\ell^+) + N(\text{톰 쿼크 쌍} \to 1\ell^-)}$로 정의되며, 레프톤의 전하가 톰 쿼크의 부호를 식별한다.
• 단일 레프톤 최종 상태를 분리하기 위해 두 개 이상의 고립 레프톤을 포함한 이벤트는 배제한다.
• 분석은 $\sqrt{s} = 7$ TeV에서 $\mu + \geq 4j$ (b-태깅) 채널을 사용하며, 단일 고립 무어온, 부족한 횡방향 운동량, 그리고 b-제트를 포함한 최소 4개의 제트를 선택한다.
• 신호의 유의미성은 $s = \frac{\sigma_{\text{eff}}[tt]}{\sqrt{\delta_{\text{stat}}^2(\Delta N) + \delta_{\text{sys}}^2(\Delta N)}}$를 통해 계산되며, 여기서 $\Delta N$은 양성 레프톤 수와 음성 레프톤 수의 차이다.
• 시스템적 오차는 $W$+제트 및 단일 톰 배경에서 추정되며, $\delta_{\text{sys}}(\Delta N) \approx 0.185 \times (L/{\rm pb}^{-1})$이며, 통계적 오차는 총 표준모형 배경 $6.31 \times (L/{\rm pb}^{-1})$에서 유래한다.
• $Z^\prime$ 모델은 다양한 $m_{Z^\prime}$와 $\alpha_X$로 시뮬레이션되어 $\mathcal{A}_{1\ell}$를 예측하고, 매개변수 공간에 유의미성 등고선을 그린다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 이레프톤 기반 탐색에 비해 단일 레프톤 전하 비대칭도가 같은 전하의 톰 쿼크 생성을 탐지하는 데 더 타당하고 민감한 지표가 될 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 사용해 현재 LHC 데이터로 테바트론에서 관측된 톰 쿼크의 전방-후방 비대칭도를 설명하는 $Z^\prime$ 모델의 매개변수 공간 중 어느 정도를 탐색할 수 있는가?
• RQ3 신호의 유의미성이 통합 루미노사티비티에 따라 어떻게 변화하는가? 그리고 어느 루미노사티비티에서 $Z^\prime$ 매개변수 공간의 핵심 지점들이 탐지되거나 배제될 수 있는가?
• RQ4 이 방법의 감도는 기존의 같은 전하의 톰 쿼크 탐색에 비해 배경의 시스템적 오차와 가짜 레프톤 거부 능력 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 특히 풍미 비대칭 쿠플링을 가진 모델에서, 단일 레프톤 전하 비대칭도는 톰 쿼크 쌍 생성에서 새로운 물리학에 대해 어느 정도의 기대 감도를 가질 수 있는가?

주요 결과

• 35 pb$^{-1}$의 데이터로도, 표준모형에서의 비대칭도가 0임을 가정할 때, 테바트론의 전방-후방 비대칭도를 설명하는 데 일치하는 $Z^\prime$ 모델의 매개변수 공간의 상당 부분을 제약할 수 있다.
• 50 pb$^{-1}$일 때, $m_{Z^\prime} = 160$ GeV 및 $\alpha_X = 0.024$ 인 모델 포인트는 측정된 비대칭도가 표준모형과 일치할 경우 95% 이상의 신뢰수준에서 배제될 수 있다.
• 1 fb$^{-1}$의 데이터로는 동일한 모델 포인트가 5σ의 유의미성 수준에서 탐지될 수 있다.
• 이 방법은 기존의 같은 전하의 이레프톤 탐색보다 더 효율적이며, 약 30%의 같은 전하의 톰 쿼크 이벤트를 포착하는 데 반해, 두 레프톤의 분해율은 약 5%이다.
• 단일 레프톤 전하 비대칭도는 제트-가짜 레프톤 배경에 덜 민감하며, 이러한 가짜 레프톤은 양성과 음성 전하에 대해 약간의 균형을 이룹니다.
• 이 방법은 기존의 같은 전하의 톰 쿼크 탐색과 보완적인 수단을 제공하며, 다른 시스템적 오차를 가지며, 초기 데이터 단계에서 더 높은 감도를 확보한다.