[논문 리뷰] Dynamical Origin of the Correlation between the Asymmetries $A_{FB}^t$ and $A_{FB}^{\ell}$

Edmond L. Berger, Qing-Hong Cao외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 테바트론에서의 $t\bar{t}$ 사건에서 관측된 상위 쿼크의 전방-후방 비대칭도 $A_{FB}^t$와 양성전자 레프톤 비대칭도 $A_{FB}^\tau$ 사이의 상관관계의 역학적 기원을 조사한다. 강한 상관관계는 상위 쿼크 붕괴에서의 스핀 상관관계에 기인하며, 오른쪽 편극 상위 쿼크는 상위 쿼크의 운동 방향과 같은 방향으로 레프톤을 방출하는 경향이 있다. 주요 결과는 오른쪽 편극 상위 쿼크를 더 많이 생성하는 모델—특히 $W^\prime$ 모델—이 데이터를 가장 잘 설명하며, $A_{FB}^\ell \simeq 0.75 \times A_{FB}^t - 2.1\%$는 1σ 범위 내에서 D0 측정치와 일치한다.

ABSTRACT

A larger than expected forward-backward asymmetry in rapidity is observed in top quark pairs produced in proton-antiproton collisions at the Tevatron. The asymmetry is seen in both the top quark distribution $A_{FB}^t$ and in the distribution of charged leptons $A_{FB}^\ell$ from top quark decay. In this paper, we study the kinematic and dynamic aspects of the tight relationship of the two observables arising from the spin correlation between the charged lepton and the top quark with different polarization states. We also consider two benchmark new physics models, an axigluon model and a flavor-changing $W^\prime$ model. These models could explain the values of both $A_{FB}^t$ and $A_{FB}^\ell$. We emphasize the value of both measurements, and we conclude that a model which produces more right-handed than left-handed top quarks is favored by the present data.

연구 동기 및 목표

• 테바트론에서의 $t\bar{t}$ 사건에서 관측된 $A_{FB}^t$와 $A_{FB}^\ell$ 사이의 상관관계의 운동론적 및 역학적 기원을 이해하기 위해.
• 특히 왼쪽과 오른쪽 편극 상태의 상위 쿼크가 레프톤 비대칭도 $A_{FB}^\ell$에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 축합형 상관관계를 가진 뉴피지스 모델—axigluon ($G^\prime$)과 풍미 변화 $W^\prime$—이 $A_{FB}^t$와 $A_{FB}^\ell$ 데이터 양쪽 모두와 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.
• 비대칭도 비율 $A_{FB}^\ell / A_{FB}^t$가 기초적인 상위 쿼크 생성 역학을 감지하는 민감한 탐사 수단이 되는지 여부를 판단하기 위해.
• 뉴피지스 모델을 제약하기 위해 $A_{FB}^t$와 $A_{FB}^\ell$를 동시에 측정하는 것이 얼마나 가치 있는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 상위 쿼크 헬리시티 $\lambda_t = \pm1$에 따라 변하는 붕괴 분포 $\frac{1}{\Gamma}\frac{d\Gamma}{d\cos\theta_{\rm hel}} = \frac{1 + \lambda_t \cos\theta_{\rm hel}}{2}$를 사용하여 상위 쿼크 정지 프레임에서의 레프톤 방출을 모델링한다.
• 상위 쿼크의 빠르기와 횡방향 운동량에 따른 레프톤 각도 분포를 실험 프레임으로 변환하기 위해 로렌츠 보정을 적용한다.
• 운동론적 및 편극 효과를 바탕으로 왼쪽과 오른쪽 편극 상위 쿼크 성분에 대해 각각 $A_{FB}^\ell$ 를 $A_{FB}^t$ 의 함수로 해석적으로 유도한다.
• axigluon ($G^\prime$)과 $W^\prime$ 모델의 예측을 $A_{FB}^t$와 $A_{FB}^\ell$ 데이터와 비교하며, 총 $t\bar{t}$ 단면적과 1σ 범위 내에서 $A_{FB}^t$ 를 만족시키기 위해 모델 매개변수에 제약을 둔다.
• 관측된 $A_{FB}^t$와 $A_{FB}^\ell$ 간의 상관관계를 기능 형태 $A_{FB}^\ell \simeq 0.47 \times A_{FB}^t + 0.25\%$ (for $G^\prime$) 및 $A_{FB}^\ell \simeq 0.75 \times A_{FB}^t - 2.1\%$ (for $W^\prime$)로 피팅한다.
• D0 측정치인 $A_{FB}^\ell = 15.2 \pm 4.0\%$ 를 기준으로 모델의 타당성을 평가하고 상위 쿼크 편극 선호도를 유추한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론에서의 $t\bar{t}$ 사건에서 관측된 $A_{FB}^t$와 $A_{FB}^\ell$ 사이의 상관관계의 역학적 기원은 무엇인가?
• RQ2 특히 오른쪽 편극 대비 왼쪽 편극 상위 쿼크가 실험 프레임에서의 레프톤 비대칭도 $A_{FB}^\ell$ 에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 $W^\prime$와 axigluon 모델이 실험적 불확실성 내에서 동시에 $A_{FB}^t$와 $A_{FB}^\ell$ 를 설명할 수 있는가?
• RQ4 $A_{FB}^t$와 $A_{FB}^\ell$ 측정치는 오른쪽 편극 대비 왼쪽 편극 상위 쿼크 생성에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 다양한 편극 상태에서 상위 쿼크의 강한 보정은 $A_{FB}^t$와 $A_{FB}^\ell$ 사이의 관계에 어떻게 影響을 미치는가?

주요 결과

• 상위 쿼크와 레프톤의 비대칭도 간 상관관계는 주로 상위 쿼크 붕괴에서의 스핀 상관관계에 기인하며, 오른쪽 편극 상위 쿼크는 두 비대칭도 사이에 강한 양의 상관관계를 유도한다.
• 강하게 보정된 상위 쿼크의 경우, 왼쪽과 오른쪽 편극 상위 쿼크 모두 큰 $A_{FB}^\ell$ 를 생성할 수 있지만, 저에너지(임계값) 사건에서는 양의 $A_{FB}^t$ 에 대해 왼쪽 편극 상위 쿼크에서 유도된 $A_{FB}^\ell$ 는 $A_{FB}^t$ 의 반보다 작다.
• $W^\prime$ 모델은 주로 오른쪽 편극 상위 쿼크를 생성하며, 이는 $A_{FB}^\ell \simeq 0.75 \times A_{FB}^t - 2.1\%$ 라는 예측 상관관계를 유도한다. 이는 $M_{W^\prime} \lesssim 600$ GeV 일 때 D0 데이터와 1σ 범위 내에서 일치한다.
• axigluon 모델은 편극이 없는 상위 쿼크를 생성하며, 이는 $A_{FB}^\ell \simeq 0.47 \times A_{FB}^t + 0.25\%$ 를 예측한다. 이는 1σ 범위 내에서 데이터를 맞추기 위해 매우 무거운 $G^\prime$ 보손($M_{G^\prime} > 1$ TeV) 이 필요하다.
• 관측된 $A_{FB}^\ell = 15.2 \pm 4.0\%$ 는 표준모형 예측보다 약 3σ 높으며, 데이터는 오른쪽 편극 상위 쿼크 생성이 증가한 모델을 지지한다.
• $A_{FB}^\ell / A_{FB}^t$ 비율은 상위 쿼크 편극을 감지하는 강력한 탐사 수단이며, $W^\prime$ 모델은 비율을 약 62%로 예측하고, 표준모형은 약 40%로 예측하며, 이는 D0 측정치와 일치한다.