[논문 리뷰] Electroweak corrections to $t\bar{t}$ production at hadron colliders

W. Bernreuther, Michael Fücker외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 08. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 강입자 충돌기에서 토프 쿼크 쌍($t\bar{t}$) 생성에 대한 전자약력 보정을 계산하며, 토프 쿼크의 횡방향 운동량과 $t\bar{t}$의 진동 질량 분포에 대한 약력 상호작용 기여를 집중적으로 다루고, 작은 그러나 계산 가능한 비대칭성 위반 성향의 정방향-후방 비대칭성 $A_{PV}$를 규명한다. 주요 결과는 $M_{t\bar{t}} > 1.5$ TeV일 때 $A_{PV}$가 최대 0.5%에 이를 수 있으며, 이는 표준모형 내에서 크기가 작지만 새로운 물리학을 감지하는 민감한 탐지수단가 된다.

ABSTRACT

We report on our recent work on electroweak corrections to $t\bar{t}$ production at hadron colliders. Specifically, we discuss the weak-interaction contributions to the top quark transverse momentum and $t \bar{t}$ invariant mass distributions and an induced parity-violating top-spin asymmetry.

연구 동기 및 목표

• 테바트론과 LHC에서 $t\bar{t}$ 생성에 대한 다음 최고 순서(NLO) 전자약력 보정을 계산하며, 약력 및 QED 기여를 포함한다.
• 이 보정들이 토프 쿼크 횡방향 운동량과 $t\bar{t}$ 진동 질량 분포와 같은 미분 분포에 미치는 영향을 평가한다.
• 표준모형 내에서 약력 상호작용이 유도하는 비대칭성 위반 정방향-후방 비대칭성 $A_{PV}$를 평가하여 새로운 물리학을 정밀하게 탐지할 수 있는 수단로 활용한다.
• 미래 LHC 데이터 분석을 안내하기 위해 스핀 비대칭성과 분포에 대한 정밀한 표준모형 예측을 제공한다.

제안 방법

• 분석은 NLO parton 분포 함수(CTEQ6.1M)를 사용한 5-플레이버 스킴을 사용하며, NLO QCD, 약력 및 QED 보정을 포함한다.
• 전자약력 보정은 $gg \to t\bar{t}$, $q\bar{q} \to t\bar{t}$ 및 $qg \to t\bar{t}q$ 반응에 대해 계산되며, 기여는 순서 $\alpha^2$, $\alpha\alpha_s$, $\alpha^2\alpha_s$ 및 $\alpha\alpha_s^2$로 분리된다.
• 토프 쿼크의 헬리시티 비대칭성 $\Delta_{\text{hel}}$는 $t\bar{t}$ 생성에서 비대칭성 위반 효과를 정량화하기 위해 계산된다.
• 비대칭성 위반 비대칭성 $A_{PV}$는 $t\bar{t}$의 진동 질량 분포에서 유도된 $t\bar{t}$ 정착 프레임에서의 정방향-후방 비대칭성으로 정의된다.
• 약력 보정의 스케일 의존성을 분석하였으며, $b\bar{b}$ 및 $qg$ 채널 기여의 합에서 대부분 상쇄됨을 보였다.
• 운동학적 컷 여부에 따라 결과를 평가하였으며, $p_T^{\text{min}} = 30$ GeV일 때 안정성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자약력 보정은 LHC와 테바트론에서 $t\bar{t}$ 총단면적과 미분 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 약력 상호작용이 유도하는 비대칭성 위반 비대칭성 $A_{PV}$의 크기와 스케일 의존성은 어떠한가?
• RQ3 고에너지 영역에서 $t\bar{t}$ 진동 질량 및 토프 쿼크 횡방향 운동량 분포에 대한 약력 보정과 QCD 보정은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 표준모형에서의 $A_{PV}$ 예측은 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐지하기 위한 기준점이 될 수 있는가?
• RQ5 큰 $M_{t\bar{t}}$에서 $b$-쿼크가 유도하는 과정은 약력 보정에 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 전자약력 보정은 $t\bar{t}$ 총단면적에 대해 작지만 무시할 수 없는 기여를 하며, LHC에서 $\mu = m_t/2$일 때 약력 보정은 약 -14.1 pb, QED 보정은 약 +4.78 pb 기여한다.
• LHC에서 $t\bar{t}$ 진동 질량 분포에 대한 약력 보정은 고진동 질량 영역에서 뚜렷한 기여를 하며, $b\bar{b}$-유도 채널이 비대칭성에 상당한 영향을 미친다.
• 비대칭성 위반 비대칭성 $A_{PV}$는 $M_{t\bar{t}} > 1.5$ TeV일 때 최대 0.005에 이를 수 있으며, 각각 $M_{t\bar{t}} > 0.5$ TeV 및 $>1$ TeV일 경우 0.0004와 0.0021의 값을 가진다.
• 약력 보정에 의한 $\Delta_{\text{hel}}$의 보정은 개별적으로 강한 스케일 의존성을 보이지만, $b\bar{b}$ 및 $qg$ 기여의 합에서는 상당한 상쇄가 일어난다.
• NLO에서의 $b$-쿼크 PDF는 고진동 질량에서 $\Delta_{\text{hel}}$에 대한 약력 보정을 증가시켜 새로운 물리학에 대한 민감도를 높인다.
• 표준모형에서의 $A_{PV}$ 예측은 작지만 향후 LHC의 정밀도로 측정 가능하며, 새로운 비대칭성 위반 상호작용을 탐지하는 이상적인 센서가 된다.