[논문 리뷰] Measurement of the top pair invariant mass distribution at 7 TeV and search for new physics

S. Rappoccio|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 7 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 이용해 탑 쿼크 쌍 생성에서 새로운 물리 현상을 탐색하며, 강력한 제트 서브스트럭처 기법을 활용해 완전하게 하이드로닉, 반유레오피닉, 완전하게 레오피닉 붕괴 채널에서 부스터드 탑 쿼크를 식별한다. 분석은 맛 변화가 있는 중성자 전류 Z' 모델에 대한 엄격한 제한을 설정하고, 800 GeV/c² 이하의 탑컬러-레프토파비아 모드를 배제하며, 테바트론에서 관측된 탑 쿼크의 전방-후방 비대칭성을 설명하기 위해 제안된 모델을 배제한다.

ABSTRACT

An overview of searches for new physics in the ttbar sample from the CMS Collaboration is presented with data collected at the Large Hadron Collider at sqrt(s) = 7 TeV. There are several searches presented, including same-sign dilepton signatures, semileptonic signatures, and all-hadronic signatures, the latter of which uses advanced jet reconstruction techniques.

연구 동기 및 목표

• 2010–2011년도 데이터를 이용해 LHC에서 √s = 7 TeV 조건에서 탑 쿼크 쌍 생성에서 새로운 물리 현상을 탐색한다.
• 테바트론에서 관측된 탑 쿼크 전방-후방 비대칭성을 설명하는 이론 모델을 테스트하며, 특히 맛 변화가 있는 중성자 전류나 새로운 게이지 보손을 포함한 모델을 대상으로 한다.
• 완전하게 하이드로닉 및 반유레오피닉 최종 상태에서 매우 부스터드 탑 쿼크를 식별하기 위해 고급 제트 서브스트럭처 기법을 개발하고 적용한다.
• 신규 공명체가 탑 쿼크 쌍으로 붕괴하는 경우의 생산 단면적과 분해비의 곱에 대한 제한을 설정한다.

제안 방법

• 강력한 탑 쿼크 붕괴에서 융합된 구조를 식별하기 위해 탑 태깅 및 제트 정제 알고리즘을 활용한다.
• 배경을 억제하기 위해 각도 간격(ΔR_min)과 상대적 횡방향 운동량(p_T^REL)을 기반으로 한 이차원 선택 기준을 적용한다.
• 바텀 쿼크 태깅 및 W 보손 태깅을 사용하여 하이드로닉 및 반유레오피닉 붕괴 생성물에서 탑 쿼크 후보를 재구성한다.
• 완전하게 융합된 상태, 중간 정도로 부스터드된 상태, 표준 기하구조의 경우를 포함한 다양한 탑 쿼크 부스터 상태에 맞게 이벤트 선택 기준을 설정한다.
• 완전하게 레오피닉 채널에서 수량 측정 실험을 수행하여 동일 전하의 이레오피닉 이벤트를 탐색하며, 스위스피 검색 결과를 탑 섹터의 새로운 물리 현상에 재해석한다.
• H_T,lep < 150 GeV/c² 조건을 만족하는 제어 영역을 이용해 비순수 W 보손 배경을 정규화하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 배경를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 공명 방식의 탑 쿼크 쌍 생성을 통해 탑 쿼크 부문에서 새로운 물리 현상을 관측할 수 있는가?
• RQ2 테바트론에서 관측된 탑 쿼크 전방-후방 비대칭성은 새로운 맛 변화가 있는 중성자 전류 Z' 보손을 시사하는가? 그리고 LHC 데이터로 이를 배제할 수 있는가?
• RQ3 고급 제트 서브스트럭처 기법은 완전하게 하이드로닉 및 반유레오피닉 최종 상태에서 매우 부스터드된 탑 쿼크를 효과적으로 재구성할 수 있는가?
• RQ4 1.5 TeV/c² 이상의 진동 질량에서 탑 쿼크 쌍으로 붕괴하는 새로운 공명체에 대해 생산 단면적과 분해비의 곱에 대한 제한은 무엇인가?
• RQ5 버거 등(2011)이 제안한 모델은 동일 전하의 이레오피닉 채널에서 CMS 데이터와 일치하는가?

주요 결과

• CMS 실험은 동일 전하의 이레오피닉 채널에서 표준 모형으로 예상되는 0.9 ± 0.6개의 이벤트를 관측했으며, 버거 등(2011)이 제안한 모델에 대한 증거는 없었다.
• 버거 등(2011)이 제안한 모델에 대한 95% 신뢰수준 상한선은 특히 1.5 TeV/c² 이하의 보손 질량과 f_R > 0.1인 右측 쿠퍼링의 경우, 매개변수 공간의 상당 부분을 배제한다.
• 이 분석은 800 GeV/c² 이하의 좁은 탑컬러-레프토파비아 t̄t 공명체를 배제하며, 테바트론 데이터에서 얻은 가장 엄격한 제한과 일치한다.
• 반유레오피닉 부스터드 분석에서, 생산 단면적과 분해비의 곱에 대한 95% 신뢰수준 상한선은 진동 질량에 따라 함수 형태로 설정되었으며, 고질량 영역까지 감도가 유지되었다.
• 모든 하이드로닉 분석은 탑 태깅 및 W-제트 태깅을 통해 부스터드 탑 쿼크 후보를 성공적으로 식별했으며, 선택된 샘플에서 높은 순도를 달성했다.
• 제트 정제 알고리즘은 중간 정도로 부스터드된 탑 구조에서 W 보손 붕괴 생성물을 효과적으로 식별했으며, 전용 탑 태거보다 성능는 略로 낮지만 더 넓은 적용 범위를 가졌다.