[논문 리뷰] Elastic Potential: A proposal to discover elastic production of top quarks at the Large Hadron Collider

James William Howarth|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 전방 프로톤 태깅을 사용하여 준탄성(top-quark) 쌍 생성를 탐지하는 방법을 제안하며, 단지 300 pb⁻¹의 데이터로도 발견이 가능하다는 것을 보여준다. 또한 이러한 방법이 플레버-변경 중성미자(current) top 쿼크 붕괴에 대해 경쟁 가능한 한계를 설정할 수 있음을 보이며, 특히 $t \to u\gamma$ 및 $t \to c\gamma$의 경우 기존 세계적 한계보다 최대 한 단계 개선된다.

ABSTRACT

In this letter, I present the motivation and an example analysis method for discovering the elastic production of top-quark pairs at the LHC using forward proton tags, including an overview of the current theoretical tools and experimental acceptance. I show that it is possible to discover the semi-elastic process with only 300 pb${^{-1}}$ of data but that the fully-elastic case is currently out of reach. I also illustrate how the use of forward proton tags can result in limits on the branching ratio for flavor changing neutral current decays of the top quark of the form $t\ ightarrow u\\gamma$ and $t\ ightarrow c\\gamma$ of $<0.39\\cdot10^{-5}$ and $<0.97\\cdot10^{-5}$, respectively, both of which would surpass the existing world limits by at least an order of magnitude.

연구 동기 및 목표

• 전방 프로톤 태깅을 사용하여 LHC에서 준탄성 및 완전 탄성(top-quark) 쌍 생성의 가능성 탐색.
• 특히 top 쿼크의 플레버-변경 중성미자(current) 붕괴에 대해 전방 프로톤 태깅된 사건의 민감도 평가.
• 탄성 top 생성이 배경이 없는 서명을 제공하므로, 기존의 다변량 분석에 의존하는 복잡한 검색 방식보다 더 단순하고 민감도가 높은 희귀 붕괴에 대한 한계 설정이 가능하다는 것을 입증.
• $t \to u\gamma$ 및 $t \to c\gamma$ 붕괴에 대한 기존 세계적 한계에 비해 한계의 잠재적 향상 정도 수량화.
• 특히 ATLAS의 AFP 전방 프로톤 검출기와 함께 현재 검출기의 실험적 탐색 범위 평가.

제안 방법

• 프로톤-프로톤 충돌에서 광자 복사율을 모델링하기 위해 등가 광자 근사를 사용하여 $\gamma p \to t\bar{t}$ 및 $\gamma\gamma \to t\bar{t}$ 과정의 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 특히 $t \to u\gamma$ 및 $t \to c\gamma$ 결합을 위해 dim6top 모델을 사용하는 효과적 장이론(EFT) 프레임워크 내에서 MadGraph5_aMC@NLO 생성기를 활용하여 top 쿼크 생성 및 붕괴를 시뮬레이션한다.
• ATLAS AFP 검출기를 통한 전방 프로톤 태깅을 통해 산란 후 하나 또는 양쪽 프로톤이 그대로 유지된 사건을 식별하여 탄성 및 준탄성 과정을 구분한다.
• 선택 기준: $p_T > 25$ GeV 및 $|\eta| < 2.5$ 조건을 만족하는 하나의 $b$-태깅 제트와 하나의 양성전자($e/\mu$)를 포함하는 컷-앤파운드 분석 전략을 구현한다.
• Pythia 8.2, SuperChic 및 FPMC 생성기를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 다양한 탄성 및 준탄성 과정의 단면적 추정.
• 예상되는 EFT 결합 및 해당 붕괴 비율에 대한 한계를 0.1, 0.3 및 1.0 fb⁻¹의 투과 예측량에서 외삽하여 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 통합 루미너스 조건에서 전방 프로톤 태깅을 사용하여 준탄성 top 쿼크 쌍 생성을 LHC에서 발견할 수 있는가?
• RQ2 전방 프로톤 태깅된 top 생성이 $t \to u\gamma$ 및 $t \to c\gamma$ 플레버-변경 중성미자(current) 붕괴에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 ATLAS 및 CMS에서의 기존 세계적 한계와 비교하여 탄성 생성에서 유도된 $t \to u\gamma$ 및 $t \to c\gamma$ 붕괴 비율에 대한 한계는 어떻게 되는가?
• RQ4 다양한 통합 루미너스 조건(0.1, 0.3 및 1.0 fb⁻¹)에서 이러한 희귀 붕괴에 대한 민감도 향상 정도는 어떻게 되는가?
• RQ5 완전 탄성 과정 $\mathds{P}\mathds{P} \to t\bar{t}$는 이론적으로 가능하지만, 왜 저배율 데이터 조건에서는 아직 접근이 불가능한가?

주요 결과

• 준탄성 과정 $\gamma p \to t\bar{t}$는 단지 300 pb⁻¹의 데이터로도 발견 가능하며, 낮은 루미너스 조건에서도 매우 높은 민감도를 보임을 시사한다.
• 완전 탄성 과정 $\mathds{P}\mathds{P} \to t\bar{t}$는 예측된 단면적이 매우 작아 저배율 데이터 조건에서는 여전히 접근이 불가능하다.
• $t \to u\gamma$ 붕괴 비율에 대한 한계는 1.0 fb⁻¹의 통합 루미너스 조건에서 $<0.39 \times 10^{-5}$까지 도달할 수 있으며, 이는 기존 세계적 한계보다 최소한 한 단계 이상 개선된 것이다.
• $t \to c\gamma$ 붕괴 비율에 대한 한계는 1.0 fb⁻¹ 조건에서 $<0.97 \times 10^{-5}$까지 도달할 수 있으며, 이 역시 기존 한계를 10배 이상 개선한다.
• 1.0 fb⁻¹의 낙관적 상황에서 $\text{BR}(t \to u\gamma)$에 대한 한계는 기존 세계적 최고 한계 대비 9배 개선된다.
• 본 연구는 탄성 top 생성이 배경이 없는 서명을 제공함으로써, 기존의 다변량 분석에 의존하는 복잡한 검색 방식보다 더 단순하고 강력한 한계 설정이 가능하다는 것을 입증한다.