[논문 리뷰] Measurements of polarization and spin correlation and observation of entanglement in top quark pairs using lepton+jets events from proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2402명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 lepton+jets 최종 상태를 사용하여 고질량 이벤트에서 최상 쿼크 쌍의 스핀 엔트레인지먼트를 처음으로 관측한다. 모든 15개의 극화 및 스핀 상관 계수를 동시에 이산화된 최대우도 적합을 통해 추출함으로써 분석은 표준모형 예측을 확인하고, 고질량 tt 진동질량에서 5σ를 초월하는 엔트레인지먼트를 관측하여 고에너지에서의 최상 쿼크 붕괴에서 양자 엔트레인지먼트를 검증한다.

ABSTRACT

Measurements of the polarization and spin correlation in top quark pairs ($\mathrm{t\bar{t}}$) are presented using events with a single electron or muon and jets in the final state. The measurements are based on proton-proton collision data from the LHC at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected by the CMS experiment, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. All coefficients of the polarization vectors and the spin correlation matrix are extracted simultaneously by performing a binned likelihood fit to the data. The measurement is performed inclusively and in bins of additional observables, such as the mass of the $\mathrm{t\bar{t}}$ system and the top quark scattering angle in the $\mathrm{t\bar{t}}$ rest frame. The measured polarization and spin correlation are in agreement with the standard model. From the measured spin correlation, conclusions on the $\mathrm{t\bar{t}}$ spin entanglement are drawn by applying the Peres-Horodecki criterion. The standard model predicts entangled spins for $\mathrm{t\bar{t}}$ states at the production threshold and at high masses of the $\mathrm{t\bar{t}}$ system. Entanglement is observed for the first time in events at high $\mathrm{t\bar{t}}$ mass, where a large fraction of the $\mathrm{t\bar{t}}$ decays are space-like separated, with an expected and observed significance of above 5 standard deviations.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 e/μ+jets 붕괴 채널을 사용하여 최상 쿼크 극화 및 스핀 상관을 측정하기 위해.
• 고질량 tt 시스템에서 Peres–Horodecki 기준을 사용하여 최상 쿼크 쌍의 양자 엔트레인지먼트를 테스트하기 위해.
• 단일 적합을 통해 모든 15개의 극화 및 스핀 상관 계수를 전체 행렬 측정하기 위해.
• 실제 LHC 데이터를 사용하여 생산 임계점 및 고질량 tt에서의 표준모형 예측된 엔트레인지먼트를 검증하기 위해.
• 최상 쿼크 붕괴에서의 스핀 상관을 이용하여 고에너지 불안정 입자 붕괴에서 양자역학적 예측의 강건성을 평가하기 위해.

제안 방법

• CMS 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터에 대해 이산화된 최대우도 적합을 수행한다.
• 차분 단면적 형식을 사용하여 헬리시티 기저에서 모든 15개의 극화 벡터 및 스핀 상관 행렬 계수를 동시에 추출한다.
• 측정된 스핀 상관 행렬을 바탕으로 Peres–Horodecki 기준을 적용하여 tt 스핀 상태가 분리 가능한지 또는 엔트레인지먼트된 상태인지 판단한다.
• 최상 쿼크 운동량과 빔 방향을 기준으로 정의된 헬리시티 기저를 사용하며, 보즈-아인슈타인 대칭성을 유지하기 위해 n 및 r 축의 부호를 반전시킨다.
• 파트론 샤워 및 행렬원소 매칭(MCFM, POWHEG 등)을 사용하여 신호 및 배경 이벤트를 몽테카를로 시뮬레이션으로 모델링한다.
• 기계학습 기반의 제트 품질 태깅(DeepJet) 및 운동량 재구성 기법을 사용하여 최상 쿼크 붕괴를 식별하고 tt 시스템을 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 고질량 tt 이벤트에서 최상 쿼크 쌍의 양자 엔트레인지먼트는 관측 가능한가?
• RQ2 e/μ+jets 채널에서 측정된 스핀 상관은 다양한 tt 질량 및 산란각 범위에서 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ3 단일 데이터셋에서 전체 3×3 스핀 상관 행렬 및 극화 벡터를 고정밀도로 동시에 추출할 수 있는가?
• RQ4 고진동질량에서 tt 스핀 상태는 분리 가능한가 아니면 엔트레인지먼트된 상태인가, 이는 표준모형 기대와 일치하는가?
• RQ5 검출기 효과 및 배경 모델링으로 인한 체계적 불확실성은 엔트레인지먼트 유의성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 측정된 극화 및 스핀 상관 계수는 모든 tt 질량 및 최상 쿼크 산란각 범위에서 표준모형 예측과 일치한다.
• 고질량 tt 이벤트에서 최초로 최상 쿼크 쌍의 엔트레인지먼트를 관측하였으며, 기대 유의성과 관측 유의성이 모두 5σ를 초월한다.
• Peres–Horodecki 기준은 고질량 영역에서 tt 스핀 상태가 비분리 가능하다(즉, 엔트레인지먼트된 상태이다)는 것을 확인하여 양자역학적 예측을 검증한다.
• 15개의 극화 및 스핀 상관 계수를 포함한 전체 행렬 측정이 성공적으로 수행되어 스핀 역학의 종합적 검증이 가능해졌다.
• 분석은 고에너지 불안정 입자 붕괴에서 붕괴 제품의 각도 상관을 이용하여 양자 엔트레인지먼트를 탐색할 수 있음을 보여준다.
• 체계적 불확실성은 잘 제어되어 있으며, 주요 기여 요소는 제트 에너지 스케일과 b-태깅 효율성이다.