[논문 리뷰] Measurement of the W-boson helicity fractions in top-quark decays at CDF

T. Chwalek|arXiv (Cornell University)|2007. 05. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 테바트론의 CDF II 검출기에서 확보한 955 pb⁻¹의 데이터를 사용하여 탑 쿼크 붕괴에서 W 보손 스핀 분율을 측정한다. 상대운동량을 재구성하고 붕괴 각도 θ*를 분석함으로써, F₀ = 0.59 ± 0.12 (통계) ⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁶ (계측) 및 F₊ = -0.03 ± 0.06 (통계) ⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰³ (계측)을 얻었으며, 이는 표준모형 예측과 일치하며 95% 신뢰수준에서 F₊ ≤ 0.10의 상한선을 설정한다.

ABSTRACT

We present a measurement of the fractions F_0 and F_+ of longitudinally polarized and right-handed W bosons in top-quark decays using data collected with the CDF II detector. The data set used in the analysis corresponds to an integrated luminosity of approximately 955 pb-1. We select top-antitop candidate events with one lepton, at least four jets, and missing transverse energy. Our helicity measurement uses the decay angle theta*, which is defined as the angle between the momentum of the charged lepton in the W boson rest-frame and the W momentum in the top-quark rest-frame. The cos(theta*) distribution in the data is determined by full kinematic reconstruction of the top-antotop candidates. We find F_0 = 0.59 +- 0.12 (stat) +0.07 -0.06 (syst) and F_+ = -0.03 +- 0.06 (stat) +0.04 -0.03 (syst), which is consistent with the standard model prediction. We set an upper limit on the fraction of right-handed W-bosons of F_+ < 0.1 at the 95% confidence level.

연구 동기 및 목표

• 테바트론에서 탑 쿼크 붕괴에서 종방향으로 극화된(F₀) 및 오른손잡이(F₊) W 보손의 비율을 측정하기 위해.
• 탑 쿼크 붕괴에서 발생하는 W 보손이 주로 왼손잡이나 종방향으로 극화된다는 표준모형 예측을 테스트하기 위해.
• Wtb 접합에서 V+A 성분이나 비정상적인 결합을 나타내는 편차를 탐색하기 위해.
• 진짜 θ* 분포를 펼치기 위해, PYTHIA 몬테카를로 시뮬레이션에서 유도된 전이 함수를 사용하여 검출기 수용 및 해상도 효과를 보정하기 위해.
• 오른손잡이 W 보손의 비율에 대한 95% 신뢰수준 상한선을 설정하기 위해.

제안 방법

• 이벤트 선택은 한 개의 고립된 렙톤, 부족한 횡방향 운동량, 최소 네 개의 제트, 그리고 한 개의 b-태그된 제트를 포함하는 '렙톤+제트' 채널을 사용한다.
• W 보손 질량과 탑 쿼크 질량의 차이를 제약 조건으로 하여 t¯t 이벤트의 전체 운동량 재구성을 수행하며, b-제트 식별을 위해 신경망 b-태거를 사용한다.
• 붕괴 각도 θ*는 W 보손의 정지 프레임에서의 렙톤 운동량과 탑 쿼크의 정지 프레임에서의 W 보손 운동량 사이의 각도로 정의된다.
• 신호 및 배경 기여를 이론적 θ* 분포(식 1)로 모델링하여, 분할 최대우도 적합을 사용하여 F₀ 또는 F₊를 추출한다.
• 수용 및 이동 효과는 PYTHIA 몬테카를로 시뮬레이션에서 유도된 전이 함수 τ(F₀, F₊)를 사용하여 보정한다.
• 관측된 θ* 분포에 대해 펼침을 적용하여 t¯t 총 단면적 6.7 pb로 정규화된 이론 예측과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탑 쿼크 붕괴에서 종방향으로 극화된 W 보손의 측정된 비율(F₀)은 얼마인가요?
• RQ2 오른손잡이 W 보손의 측정된 비율(F₊)은 얼마이며, 이는 0과 일치합니까?
• RQ3 관측된 W 보손 스핀 분포는 F₀ = 0.7 및 F₊ = 0인 표준모형 예측과 다릅니다?
• RQ4 오른손잡이 W 보손 비율에 대한 95% 신뢰수준 상한선은 얼마입니까?
• RQ5 검출기 수용 및 재구성 효과는 측정된 θ* 분포에 어떤 영향을 미치며, 어떻게 보정됩니까?

주요 결과

• 종방향으로 극화된 W 보손의 측정된 비율은 F₀ = 0.59 ± 0.12 (통계) ⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁶ (계측)이며, 표준모형 예측인 F₀ = 0.7과 일치한다.
• 오른손잡이 W 보손의 측정된 비율은 F₊ = -0.03 ± 0.06 (통계) ⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰³ (계측)이며, 0과 일치하고 표준모형 예측과 일치한다.
• 95% 신뢰수준에서 F₊ ≤ 0.10의 상한선이 설정되었으며, 오른손잡이 W 보손의 부재와 일치한다.
• 검출기 효과를 보정한 펼친 θ* 분포는 표준모형 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 전이 함수 방법은 수용 및 해상도 효과를 효과적으로 보정하여 데이터와 이론 간 직접 비교를 가능하게 하였다.
• 시스템적 불확실성에 대해 결과가 강인하며, 탑 쿼크 붕괴 스핀에 대한 표준모형의 타당성을 뒷받침한다.