[논문 리뷰] Constraints on four-fermion interactions from the $t\bar{t}$ charge asymmetry at hadron colliders

Martín Perelló, M. Vos|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 37인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 테바트론과 LHC의 전하 비대칭성 및 단면적 측정값을 이용하여 강입자 충돌기에서 톰 쿼크 쌍 생성 시 4 Fermion 상호작용을 제약한다. 전하 비대칭성 측정값이 단면적 데이터보다 더 민감하며, 특히 부스터드 톰 쿼크 영역에서 그러하다는 것을 보여주며, 95% 신뢰수준에서 −0.06 < C¹v²/Λ² < 0.10 및 −0.04 < C²v²/Λ² < 0.11의 제약을 도출한다. 이는 표준모형과 일치하며 2 TeV 이상의 새로운 물리 현상에 대한 직접적 공명 탐색과 경쟁 가능하다.

ABSTRACT

The charge asymmetry in top quark production at hadron colliders is sensitive to beyond-the-Standard-Model four-fermion interactions. In this study we compare the sensitivity of cross-section and charge asymmetry measurements to effective operators describing four-fermion interactions and study the limits on the validity of this approach. A fit to a combination of Tevatron and LHC measurements yields stringent limits on the linear combinations $C_1$ and $C_2$ of the four-fermion effective operators.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 4 Fermion 상호작용에 대한 톰 쿼크 쌍 생성 측정값의 민감도 평가.
• 단면적 측정값과 전하 비대칭성 측정값 간의 상대적 제약 능력 비교.
• 특히 부스터드 톰 쿼크 영역에서 고에너지에서의 유효 연산자 접근법의 타당성 평가.
• 업-형 및 다운형 쿼크에 대한 색다운 쿼크에 대한 유일한 결합을 가정할 때, 차원 6의 4 Fermion 연산자에 대한 강력한 제약 도출.
• 13 TeV LHC 데이터로부터의 향후 제약 예측, 특히 부스터드 영역에서 전하 비대칭성과 단면적의 정밀 측정을 포함.

제안 방법

• 차원 6의 4 Fermion 연산자를 포함하는 유효 필드 이론 프레임워크를 사용하며, 라그랑지안을 L_eff = L_SM + (1/Λ²)ΣC_i O_i 로 전개한다.
• 업-형 및 다운형 쿼크에 대한 동일한 결합 강도를 가정할 때, 전체 7개의 4 Fermion 연산자를 두 가지 효과적인 조합 C¹ 및 C²로 줄인다.
• 톰 쿼크 쌍 생성 단면적 및 전하 비대칭성의 테바트론 및 LHC 측정값을 조합하여 C¹ 및 C²를 제약한다.
• 유효 이론이 유효하기 위해, 차원 6 연산자의 제곱을 계산하여 Λ⁻⁴ 기여의 크기를 추정한다.
• 포괄적 및 미분 측정값을 모두 포함하며, 특히 4 Fermion 상호작용에 대한 민감도가 향상되는 부스터드 t-t̄ 생성 영역에 초점을 맞춘다.
• 13 TeV LHC 데이터에 대한 향후 제약을 예측하며, 부스터드 영역에서 전하 비대칭성에 대해 0.5% 정밀도, 단면적에 대해 4% 정밀도를 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 톰 쿼크 쌍 생성에서 4 Fermion 상호작용에 대한 전하 비대칭성 측정값과 단면적 측정값 간의 민감도는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 테바트론과 LHC 데이터로부터 유도된 4 Fermion 연산자 선형 조합 C¹ 및 C²에 대한 95% 신뢰수준 제약은 무엇인가?
• RQ3 Λ⁻⁴ 기여가 상당해 질 수 있는 고에너지, 부스터드 톰 쿼크 쌍 생성 영역에서 유효 연산자 접근법은 어느 정도 타당한가?
• RQ4 0.5% 정밀도의 전하 비대칭성 측정을 포함한 향후 13 TeV LHC 측정값은 현재 데이터보다 더 강력한 제약을 제공할 수 있는가?
• RQ5 C¹ 및 C²를 Λ⁻⁴ 항이 지배적이지 않은 수준으로 제약하기 위해 단면적 및 비대칭성 측정의 정밀도는 어느 정도여야 하는가?

주요 결과

• 유효 연산자에 대한 95% 신뢰수준 제약는 −0.06 < C¹v²/Λ² < 0.10 및 −0.04 < C²v²/Λ² < 0.11이며, 표준모형의 0 예측과 일치한다.
• LHC에서의 전하 비대칭성 측정값은 4 Fermion 상호작용 제약에 단면적 측정값보다 더 민감하다.
• 부스터드 톰 쿼크 영역에서의 미분 측정값은 민감도가 크게 향상되어 고정밀도 데이터가 가용할 경우 더 강력한 제약을 가능하게 한다.
• 13 TeV LHC 데이터에 0.5% 정밀도의 전하 비대칭성 측정값을 포함시키면, q̄q 기반 과정의 희석으로 인해 현재 LHC8 데이터보다 약한 제약이 도출된다.
• 부스터드 영역에서 유효 연산자 접근법이 유지되기 위해서는 |C̄_X| < 0.03 범위로 제한되어야 하며, 이를 탐색하기 위해서는 단면적 정밀도가 4% 이하, 비대칭성 정밀도가 0.5% 이하가 필요하다.