[논문 리뷰] Longitudinal top polarisation measurement and anomalous $Wtb$ coupling

Arun Prasath, Rohini M. Godbole외 1명|NOT FOUND REPOSITORY (Indian Institute of Science Bangalore)|2014. 05. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 충돌에서의 상대론적 상황에서 종단 쿼크의 종방향 극화와 비표준 $Wtb$ 상호작용을 탐색하기 위해 상대론적 상황에서의 종단 쿼크 붕괴 생성물의 운동학적 비대칭성을 제안한다. 에너지 기반 비대칭성이 상대론적 상황에서 각도 분포보다 더 민감하며, 극화 민감도를 지닌 관측량을 조합하면 $Wtb$ 접합점에서의 새로운 물리 현상을 더 잘 탐지할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Kinematical distributions of decay products of the top quark carry information on the polarisation of the top as well as on any possible new physics in the decay of the top quark. We construct observables in the form of asymmetries in the kinematical distributions to probe their effects. Charged-lepton angular distributions in the decay are insensitive to anomalous couplings to leading order. Hence these can be a robust probe of top polarisation. However, these are difficult to measure in the case of highly boosted top quarks as compared to energy distributions of decay products. These are then sensitive, in general, to both top polarisation and top anomalous couplings. We compare various asymmetries for their sensitivities to the longitudinal polarisation of the top quark as well as to possible new physics in the $Wtb$ vertex, paying special attention to the case of highly boosted top quarks. We perform a $χ^2$- analysis to determine the regions in the longitudinal polarisation of the top quark and the couplings of the $Wtb$ vertex constrained by different combinations of the asymmetries. Moreover, we find that use of observables sensitive to the longitudinal top polarisation can add to the sensitivity to which the $Wtb$ vertex can be probed.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 $pp$ 충돌에서 종방향 종단 쿼크 극화에 민감한 강건한 관측량을 개발하기 위해.
• 다양한 운동학적 비대칭성이 비표준 $Wtb$ 상호작용에 얼마나 민감한지, 특히 고속으로 운동하는 종단 쿼크 상태에서의 민감도를 조사하기 위해.
• 종방향 극화와 비표준 상호작용 측정 간의 상호작용을 $\chi^2$ 분석 프레임워크를 통해 평가하기 위해.
• 극화 민감도를 지닌 관측량이 표준 측정 수단을 넘어서 $Wtb$ 접합점에서의 새로운 물리 현상을 탐지하는 데에 얼마나 향상된 민감도를 제공할 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 종단 쿼크 붕괴에서 유도된 렙톤의 에너지 및 각도 분포에서 비대칭성 형태의 관측량을 구성한다.
• 종단 쿼크의 정지 프레임에서의 미분 붕괴율 분포 $d^2\Gamma/dx_\ell dt$를 유도하고, 로렌츠 변환을 통해 고속 프레임으로 변환한다.
• 속도 파ameter $\beta$에 따라 세 개의 서로 다른 $x_\ell$ 영역에서 $t = \cos\theta_\ell$에 대한 해석적 적분을 수행하며, 임계 값 $\beta_c = (\xi-1)/(\xi+1)$를 고려한다.
• $\beta < \beta_c$에 대해 $R1(x_\ell)$, $R2(x_\ell)$, $R3(x_\ell)$의 명시적 표현을 유도하고, $\beta > \beta_c$에 대해 $S1(x_\ell)$, $S2(x_\ell)$, $S3(x_\ell)$의 표현을 유도하며, 극화 $P$와 비표준 상호작용 계수 $f_{1L}, f_{2R}$를 포함한다.
• 비대칭성 조합을 이용해 종방향 극화와 $Wtb$ 상호작용의 매개변수 공간을 제약하기 위해 $\chi^2$ 분석을 적용한다.
• 에너지 기반 비대칭성과 각도 분포의 민감도를 비교하여, 고속 상황에서 에너지 기반 비대칭성이 더 효과적임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 기반 비대칭성과 각도 비대칭성은 종단 쿼크의 종방향 극화를 탐지하는 데 어떻게 비교되는가?
• RQ2 종단 쿼크의 고속 운동 상태에서 극화 민감도를 지닌 관측량은 비표준 $Wtb$ 상호작용에 대해 얼마나 더 높은 민감도를 제공할 수 있는가?
• RQ3 고속 종단 쿼크에서 미분 붕괴율 분포에 영향을 주는 운동학적 영역과 적분 한계는 무엇인가?
• RQ4 임계 고속도 $\beta_c = (\xi-1)/(\xi+1)$는 $x_\ell$-통합 비대칭 함수의 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 여러 비대칭성의 병합 분석을 통해 표준 모델을 초월한 $Wtb$ 접합점 제약에서 오차를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 고속 상황에서 렙톤의 에너지 분포는 종방향 종단 쿼크 극화와 비표준 $Wtb$ 상호작용에 대해 각도 분포보다 더 민감하다.
• $\chi^2$ 분석 결과, 극화 민감도를 지닌 비대칭성의 조합은 표준 관측량을 넘어서 비표준 $Wtb$ 상호작용에 대한 민감도를 향상시킴을 보여준다.
• $\beta < \beta_c$일 경우 $x_\ell$-분포는 세 개의 영역으로 나뉘며, 각각 다른 적분 한계를 가진다; $\beta > \beta_c$일 경우 영역의 구조가 변화하며, $\beta = \beta_c$에서 $x_2 = x_3$가 된다.
• 극화 $P$와 비표준 상호작용 계수 $f_{1L}, f_{2R}$를 포함한 $R1(x_\ell)$, $R2(x_\ell)$, $R3(x_\ell)$ 및 $S2(x_\ell)$의 명시적 해석적 표현이 유도되었다.
• 에너지 기반 비대칭성이 렙톤의 각도 분포가 로렌츠 고속 운동으로 인해 민감도를 失하는 상황에서도 종단 쿼크 극화를 탐지하는 데 강건함을 확인하였다.
• 종방향 극화 정보의 통합은 특히 고속 상황에서 $Wtb$ 접합점에서의 새로운 물리 현상을 탐지하는 데에 상당한 성능 향상을 가져온다.