[논문 리뷰] Four-top production and t tbar + missing energy events at multi TeV e+e- colliders

M. Battaglia, Géraldine Servant|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CLIC와 같은 3 TeV $e^+e^-$ 충돌기에서 $Z^\prime$를 매개로 하는 4톱 및 $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 최종 상태를 연구하며, 가벼운 표준모형 상태와의 결합이 억제된 $U(1)^\prime$ 모델을 사용한다. 이 연구는 특히 $t\bar{t}$ 진동질량 피크와 $E_{\text{miss}}$ 분포가 청소된 $Z^\prime$ 질량 재구성(약 3.5 GeV의 정확도)을 가능하게 하며, 복합 토프 및 어둠이 물질 모델에 대한 강력한 탐사 수단이 된다고 보여준다.

ABSTRACT

Four-top production and top pair production in association with missing energy at e+e- colliders are sensitive probes of beyond-the-Standard-Model physics. We consider Standard Model (SM) extensions containing a new U(1)' which couples preferably to the most massive states of the SM such as the top quark or Dark Matter but has suppressed couplings to all the light states of the SM, as inspired by Randall-Sundrum-like setups or theories of partial fermion compositeness. These simple models are poorly constrained by experimental data but lead to striking new signatures at colliders. In this note we consider Z' production in association with a top quark pair in 3 TeV e+e- collisions at CLIC, leading to interesting four-top final states and ttbar+missing energy events.

연구 동기 및 목표

• 4톱 및 $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 최종 상태를 통한 $e^+e^-$ 충돌에서 $Z^\prime$ 공진의 발견 잠재력을 탐색한다.
• 부분적 복합성 또는 Randall-Sundrum 유사한 구조를 가진 모델에서 CLIC가 토프 쿼크 및 WIMPs에 대한 $Z^\prime$ 결합에 얼마나 민감한지 평가한다.
• $t\bar{t}$ 진동질량 재구성과 $E_{\text{miss}}$ 서명이 새로운 물리학을 청소된 배경 억제 수단으로 제공함을 보여준다.
• 운동량 피팅과 검출기 시뮬레이션을 사용하여 $t\bar{t}t\bar{t}$ 최종 상태에서의 $Z^\prime$ 질량 해상도를 정량화한다.

제안 방법

• 효과적 $U(1)^\prime$ 모델을 사용하여, $Z^\prime$ 게이지 보손이 오른손 토프 쿼크와 WIMPs에 주로 결합하고, 운동량 혼합를 통해 가벼운 표준모형 페르미온에 대한 결합이 억제된다.
• 3 TeV $e^+e^-$ 중심질량 에너지에서 CalcHep를 사용해 신호 사건을 생성하고, $g_t^{Z^\prime} = g_N^{Z^\prime} = 3$로 설정한 후 Pythia 6.125를 사용해 파르톤 샤워링을 수행한다.
• Mokka와 ILD 기반 복구 도구를 사용해 전체 검출기 시뮬레이션을 수행하고, Marlin 프로세서를 통한 이벤트 복구를 수행한다.
• $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$의 경우, $E_{\text{miss}} < 1900$ GeV, 제트 클러스터링, 그리고 제트 질량 $M_{\text{jet}}$가 125–225 GeV 범위에 있어 토프 쿼크를 식별한다.
• $t\bar{t}t\bar{t}$의 경우, 높은 입자 다수성 (>50), 에너지 및 트러스트 절단, 그리고 Pufitc를 사용한 운동량 피팅을 통해 해상도를 향상시킨다.
• 재구성 및 운동량 피팅 후, $t\bar{t}$ 진동질량 분포의 상한점에서 $Z^\prime$ 질량을 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3 TeV에서의 $e^+e^-$ 충돌기, 예를 들어 CLIC는 $t\bar{t}t\bar{t}$ 및 $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 최종 상태에서 $Z^\prime$ 공진을 관측할 수 있는가?
• RQ2 검출기 효과와 비드스트로움이 존재하는 상황에서 $t\bar{t}$ 진동질량 분포는 $Z^\prime$ 질량 재구성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 $Z^\prime$ 매개 $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 사건에서 $E_{\text{miss}}$ 기반 서명은 WIMP 어둠이 물질을 탐지하는 데 어떤 의미를 가지는가?
• RQ4 운동량 피팅과 이벤트 선택은 다중톱 최종 상태에서의 표준모형 배경을 어떻게 감소시키는가?
• RQ5 1 ab$^{-1}$의 통합 루미너시에서 $t\bar{t}t\bar{t}$ 사건에서의 $Z^\prime$ 질량 해상도는 얼마인가?

주요 결과

• $t\bar{t}Z^\prime \to t\bar{t}t\bar{t}$ 사건에서의 $t\bar{t}$ 진동질량 분포는 재구성 후에도 상한점이 잘 유지되어 정밀한 $Z^\prime$ 질량 결정이 가능하다.
• $M_{Z^\prime} = 360$ GeV일 경우, 1 ab$^{-1}$의 통합 루미너시를 사용해 약 3.5 GeV의 통계 정확도로 $Z^\prime$ 질량을 재구성할 수 있다.
• 선택 후, $M_{Z^\prime} = 360$ GeV일 때 $t\bar{t}$ 질량 피크에서 240개의 신호 사건이 관측되었으며, 표준모형 배경은 극히 미미했다.
• $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 채널은 200 fb$^{-1}$에서 648개의 신호 사건과 22개의 표준모형 배경 사건을 제공하여 낮은 배경을 가진 청소된 서명임을 나타낸다.
• $M_{Z^\prime} = 360$ GeV에서 $t\bar{t}t\bar{t}$의 신호 단면적은 4.2 fb이며, 3 TeV에서 표준모형 비율인 0.03 fb보다 크게 초과한다.
• $t\bar{t}t\bar{t}$의 주요 표준모형 배경은 $t\bar{t}W+jets$ (0.4 fb)와 $t\bar{t}WW+Njets$ (0.6 fb)이며, 모두 신호보다 훨씬 작다.