[논문 리뷰] Binned top quark spin correlation and polarization observables for the LHC at 13.6 TeV

W. Bernreuther, Long Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 √s = 13.6 TeV에서 t¯t 생성에서 쿼크-톱 스핀 상관관계 및 분포 관측량에 대한 다음 주로 순서 QCD 및 전자약 보정을 제시하며, (Mt¯t, cos θ∗t) 위상공간에서 세밀한 분할 분석을 포함한다. 표준모형(SM) 예측과 새로운 물리 효과를 차원-6 유효장 이론을 통해 계산하여, 색전기 및 색스핀 모멘트와 같은 비정상 상호작용에 대해 높은 민감도를 보이는 영역를 규명한다.

ABSTRACT

We consider top-antitop quark $(t{\bar t})$ production at the Large Hadron Collider (LHC) with subsequent decays into dileptonic final states. We use and investigate a set of leptonic angular correlations and distributions with which all the independent coefficient functions of the top-spin dependent parts of the $t{\bar t}$ production spin density matrices can be experimentally probed. We compute these observables for the LHC center-of-mass energy 13.6 TeV within the Standard Model at next-to-leading order in the QCD coupling including the mixed QCD-weak corrections. We determine also the $t{\bar t}$ charge asymmetry where we take in addition also the mixed QCD-QED corrections into account. In addition we analyze and compute possible new physics (NP) effects on these observables in terms of a gauge-invariant effective Lagrangian that contains the operators up to mass dimension six that are relevant for hadronic $(t{\bar t})$ production. First we compute our observables inclusive in phase space. In order to investigate which region in phase space has, for a specific observable, a high NP sensitivity, we determine our observables also in two-dimensional $(M_{t{\bar t}},\cosθ_t^*)$ bins, where $M_{t{\bar t}}$ denotes the $t{\bar t}$ invariant mass and $θ_t^*$ is the top-quark scattering angle in the $t{\bar t}$ zero-momentum frame.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 NLO QCD 보정과 함께 전자약 보정을 포함하여 13.6 TeV LHC에서 t¯t 생성의 토프 쿼크 스핀 상관관계 및 분포 관측량을 계산하는 것.
• t¯t 전하 비대칭성에 대해 혼합 QCD-약 및 QCD-QED 보정을 포함하여 분석을 확장하는 것.
• t¯t 생성에 관련된 차원-6 연산자를 포함하는 게이지 불변 유효 라그랑지안을 통해 새로운 물리 효과를 조사하는 것.
• 특정 비정상 상호작용에 대해 높은 민감도를 보이는 영역를 식별하기 위해 (Mt¯t, cos θ∗t) 위상공간에서 관측량을 분할하는 것.
• 향후 실험적 비교를 위한 포괄적인 SM 및 NP 예측 세트를 제공하는 것 — 특히 CMS 및 ATLAS 분석에 초점 맞춤.

제안 방법

• 온-쉘 토프 쿼크와 협소 폭 근사를 포함한 이론적 데크레티브 끝 상태로의 t¯t 생성 및 붕괴를 기술하기 위해 스핀 밀도 행렬 형식을 사용하는 것.
• 붕괴 렙톤 간의 각도 상관관계에 기반한 관측량을 계산하며, t¯t 생성 스핀 밀도 행렬의 독립된 계수로 투영하는 것.
• 고정 순서 QCD 계산을 사용하여 NLO QCD 및 약 상호작용 보정을 수행하며, 스핀과 색 구조를 완전히 고려하는 것.
• t¯t 전하 비대칭성 AC에 대해 혼합 QCD-약 및 QCD-QED 보정을 포함하는 것.
• 새로운 물리 효과를 모델링하기 위해 차원-6 유효장 이론(EFT) 라그랑지안을 구현하며, 토프 쿼크의 색스핀 모멘트, 색전기 모멘트 및 이중극 모멘트를 포함하는 연산자에 집중하는 것.
• 특정 비정상 상호작용에 대한 민감도를 높이기 위해 이차원적 (Mt¯t, cos θ∗t) 위상공간 영역에서 분할 분석을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 (Mt¯t, cos θ∗t) 위상공간에서 어떤 영역가 토프 쿼크 스핀 관측량의 새로운 물리 효과에 대해 가장 높은 민감도를 보이는가?
• RQ2 NLO QCD 및 약 보정은 표준모형(SM) 예측의 토프 쿼크 스핀 상관관계 및 극화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특정 비정상 상호작용 — 예를 들어 ˆc1, ˆµt, ˆcV V, ˆdt, ˆcAA, ˆc2, ˆcAV — 이 스핀 관측량의 미세분포에 기여하는 바는 무엇인가?
• RQ4 혼합 QCD-약 및 QCD-QED 보정은 13.6 TeV에서 t¯t 전하 비대칭성 AC에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 분할 관측량은 토프 쿼크 영역에서 다양한 종류의 새로운 물리 효과를 얼마나 잘 구별할 수 있는가?

주요 결과

• t¯t 전하 비대칭성 AC는 NLO QCD와 혼합 QCD-QED 보정을 포함하여 계산되었으며, √s = 13.6 TeV에서 약 -0.005의 값을 보였다.
• ˆc1에 의한 C(k,k)의 분자에 대한 NP 기여는 µ = 2mt에서 (600 GeV, 800 GeV) 밴드에서 -3.126 pb에 도달하여 이 영역에서 강한 민감도를 보였다.
• ˆµt에 의한 C(r,k) + C(k,r)에 대한 최대 NP 기여는 (600 GeV, 800 GeV) 밴드에서 -14.508 pb에 도달하여 토프 쿼크 색스핀 모멘트에 대해 높은 민감도를 보였다.
• ˆcAV에 의한 B1(k*) + B2(k*)에 대한 NP 기여는 >800 GeV 밴드에서 42.620 pb에 도달하여 고질량 영역에서 CP-홀드 상호작용에 대해 강한 민감도를 보였다.
• (Mt¯t, cos θ∗t)에 대한 분할 분석 결과, ˆdt(색전기 이중극 모멘트)에 대한 가장 높은 민감도는 (450 GeV, 600 GeV) 및 (600 GeV, 800 GeV) 질량 밴드에서 관측되었으며, 기여는 최대 -196.175 pb에 이르렀다.
• ˆdt에 의한 C(n,r) - C(r,n)에 대한 NP 기여는 2mt < Mt¯t < 450 GeV에서 (-1.0, -0.5) cos θ∗t 밴드에서 -184.656 pb에 도달하여 향후-뒤로 각도 영역에서 CP-홀드 상호작용에 대해 민감도가 높음을 시사했다.