[논문 리뷰] Kinematics of Top Quark Final States: A Snowmass White Paper

A. W. Jung, Markus Schulze외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 스노우마스 2013 회색 보고서는 14 테바의 LHC에서 토프 쿼크 쌍 생성 운동학 및 전하 비대칭성 측정의 이론적 불확실성과 실험적 가능성에 대해 평가한다. 현재의 시스템적 불확실성이 표준모형 크기의 토프 쿼크 생성 비대칭성 관측을 제한하고 있음을 발견했지만, 50 펨토바른의 데이터로 인해 $t\bar{t}+j$ 최종 상태에서의 기울기 비대칭성과 LHCb에서의 전방 비대칭성과 같은 대체 관측량이 향상된 감도를 제공하며, 표준모형 예측의 결정적 검증과 표준모형 외 물리학의 잠재적 발견을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This is the summary report of the Top Quark Kinematics working group prepared for Snowmass 2013. We survey the current state of theoretical predictions for top pair differential distributions, in both boosted and un-boosted regimes, and present an overview of uncertainties and prospects for top spin correlations. We study the prospects for measuring the inclusive SM top pair production asymmetry AFC at LHC 14 as a function of systematic error, and show that some improvement over current systematic uncertainties, as customarily handled, is required for observing a SM-size asymmetry. Cuts on top pair invariant mass and rapidity do not substantially alter this conclusion. We summarize the conclusions of contributed studies on alternate LHC measurements of the ttbar production asymmetry, in ttbar+jet final states and in forward top production at LHCb, both of which show good prospects for observing SM-size asymmetries in 50 fb-1 of data at LHC14.

연구 동기 및 목표

• 14 및 33 테바의 LHC에서 토프 쿼크 쌍 생성 운동학의 이론적 불확실성을 평가하며, NLO QCD 및 PDF 변동에 중점을 둔다.
• 현재 시스템적 오차 가정 하에 14 테바 LHC에서 포함된 표준모형 토프 쿼크 전하 비대칭성 측정 가능성 평가.
• 기울기 비대칭성($t\bar{t}+j$에서) 및 LHCb에서의 전방 비대칭성과 같은 대체 관측량을 탐색하여 표준모형 크기의 비대칭성에 대한 감도 향상.
• 시스템적 불확실성의 영향을 비대칭성 관측 가능성에 미치는 영향을 정량화하고, 표준모형 외 물리학 발견 가능성 평가.
• 미래 LHC 측정의 맥락에서 토프 쿼크 운동학 분포 및 스핀 상관관계를 통합적으로 해석할 수 있는 프레임워크 제공.

제안 방법

• MCFM 프로그램을 통해 14 및 33 테바 LHC 에너지에서 토프 쿼크 쌍 생성 단면적 및 미분 분포를 NLO QCD 계산을 통해 계산.
• 스케일 변동(173 GeV에서 두 배의 변화)과 여러 PDF 세트(MSTW, NNPDF)의 변동을 통해 이론적 불확실성 추정.
• 횡방향 운동량, 빠르도피티, 토프 및 반토프 쿼크 간의 빠르도피티 차이와 같은 운동학 분포 분석.
• 배경 억제를 위해 절단 조건을 적용한 이벤트 수준 시뮬레이션을 사용해 $t\bar{t}+j$ 최종 상태에서의 기울기 및 에너지 비대칭성 관측량 평가.
• 50 fb⁻¹의 통합 루미너스티를 가진 14 테바에서 LHCb가 레프톤+제트 및 이레프톤 붕괴 채널을 사용해 전방 토프 쿼크 생성 비대칭성 측정 가능성을 평가.
• 시스템적 오차 스케일링을 고려해 ATLAS/CMS, LHCb, $t\bar{t}+j$ 최종 상태 간 비대칭성 측정의 예상 유의수준 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 시스템적 불확실성 수준에서 14 테바 LHC에서 표준모형 크기의 토프 쿼크 생성 비대칭성은 관측 가능한가?
• RQ2 NLO QCD 및 PDF 변동의 이론적 불확실성은 토프 쿼크 운동학 분포의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 14 테바 LHC에서 $t\bar{t}+j$ 최종 상태에서의 토프 쿼크 전하 비대칭성 측정 가능성은 어떠한가? 그리고 운동학 변수에 대한 절단 조건이 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 50 fb⁻¹의 데이터로 LHCb는 전방 영역에서의 토프 쿼크 생성 비대칭성을 충분한 통계적 유의수준으로 측정할 수 있는가?
• RQ5 기존의 포함 비대칭성과 비교해 대체 비대칭성 관측량은 시스템적 오차 억제 및 발견 가능성 측면에서 어떤가?

주요 결과

• 현재 시스템적 불확실성 수준에서는 14 테바 LHC에서의 포함 표준모형 토프 쿼크 전하 비대칭성은 결정적으로 관측될 수 없다. 더 나은 제어가 필요하다.
• 14 테바에서의 총 $t\bar{t}$ 단면적은 NLO QCD 기준 845 pb이며, 잔류 스케일 불확실성은 12%이고, NNPDF 파arton 분포에서의 불확실성은 8%이다.
• 33 테바에서의 $t\bar{t}$ 단면적은 5 nb로 증가하며, K因수는 1.23이고 잔류 스케일 불확실성은 11%이다.
• $t\bar{t}+j$ 최종 상태에서의 기울기 비대칭성은 약 3000 fb⁻¹에서 약 16 표준편차의 유의수준을 달성하여 표준모형 비대칭성에 매우 민감함을 나타낸다.
• LHCb는 14 테바에서 50 fb⁻¹의 데이터로 전방 토프 쿼크 생성 비대칭성을 측정할 수 있으며, 피크업의 악화가 없고 고루미너스티 단계에서 이레프톤 채널 측정이 가능하다.
• LHCb, ATLAS 및 CMS 측정의 조합은 토프 쿼크 생성 비대칭성에 대한 더 포괄적인 그림을 제공하며, 표준모형 외 물리학에 대한 감도를 향상시킨다.