[논문 리뷰] Measuring anomalous $Wtb$ couplings at $e^-p$ collider

Sukanta Dutta, Ashok Goyal외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전자-양성자 충돌($e^-p$)를 통한 단일 탑 쿼크 생성에서 이물질 $Wtb$ 결합을 탐지하기 위한 대형 하드론 전자 충돌기(LHeC)의 민감도를 조사한다. 부분자 수준 몽테카를로 시뮬레이션과 운동량 관측량의 종합 공분산 행렬 분석을 사용하여, 95% 신뢰수준에서 왼쪽 편향 벡터 결합은 약 10^{-3} 수준의 정밀도로 측정 가능하다고 밝히며, 오른쪽 편향 및 텐서 결합은 10^{-1}에서 10^{-2} 수준으로 탐지 가능하다. 이는 기존 LHC 및 B-물리 실험의 제약 조건보다 크게 향상된 결과이다.

ABSTRACT

We study the accuracy with which the lowest order $CP$ conserving anomalous $Wtb$ couplings in the single top quark production at the proposed large hadron electron collider (LHeC) can be probed. The one dimensional distribution of various kinematic observables at the parton level MC and their asymmetries arising due to the presence of anomalous couplings both in the hadronic and leptonic $W$ decay is examined. \par We find that at 95 \% C.L. the anomalous coupling associated with the left handed vector current can be measured at an accuracy of the order of $\sim 10^{-2}-10^{-3}$, while those associated with the right handed vector and left as well as right handed tensor currents have sensitivity at the order of $\sim 10^{-1}-10^{-2}$ for the systematic uncertainty varying between 10\%-1\% at an integrated luminosity of 100 fb$^{-1}$. A comprehensive analysis of the combined covariance matrix derived from all one dimensional distributions of kinematical observables is used to compute the errors in anomalous couplings.

연구 동기 및 목표

• LHeC가 $e^-p$ 충돌을 통한 단일 탑 쿼크 생성에서 이물질 $Wtb$ 결합을 탐지할 수 있는 민감도를 평가한다.
• LHeC에서 $CP$-보존 이물질 결합—벡터 및 텐서 전류—의 측정 정밀도를 정량화한다.
• LHeC의 예측 제약 조건을 LHC, 전자약력 정밀도 데이터, B-메손 붕괴에서의 기존 제약 조건과 비교한다.
• 강입 및 레프톤 붕괴에서의 운동량 분포 및 비대칭성을 이용하여 이물질 결합에 대한 민감도를 추출한다.
• 모든 일변도 운동량 관측량의 병합 공분산 행렬을 사용하여 오차 추정을 체계적으로 수행한다.

제안 방법

• LHeC에서 $E_p = 7$ TeV 및 $E_e = 60$ GeV 조건 하에 $e^-p$ 충돌에서 단일 반탑 쿼크 생성을 시뮬레이션한다.
• 최종 상태 입자의 운동량 분포를 생성하기 위해 부분자 수준 몽테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 생산 및 $W$ 붕괴 점에서 이물질 $Wtb$ 결합으로 인해 발생하는 분포의 비대칭성을 분석한다.
• 모든 일변도 운동량 관측량에서 유도된 병합 공분산 행렬을 구성하여 이물질 결합의 통계적 오차를 계산한다.
• 효과적 장 이론 프레임워크를 사용하여 이물질 결합 $f_i$를 차수 6 연산자 $O_{tW}$ 및 $O_{bW}$와 연결하고, $f_i$에 대한 제약 조건을 $C_{tW}/\Lambda^2$에 대한 제약 조건으로 변환한다.
• 95% 신뢰수준(C.L.) 간격을 적용하여 이물질 결합의 크기에 대한 상한선을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHeC는 $e^-p$ 충돌에서 단일 탑 쿼크 생성 시 이물질 $Wtb$ 결합에 대해 어떤 민감도를 보이는가?
• RQ2 강입 및 레프톤 $W$ 붕괴에서의 운동량 분포 및 비대칭성은 이물질 결합에 대한 민감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 통합 광도 100 fb$^{-1}$ 조건에서 LHeC가 $f_1^L$, $f_1^R$, $f_2^L$, $f_2^R$에 대해 예측하는 95% C.L. 상한선은 무엇인가?
• RQ4 LHeC의 제약 조건은 LHC, B-물리, 전자약력 정밀도 데이터에서의 기존 제약 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 LHeC 측정으로부터 유도된 차수 6 연산자 계수 $C_{tW}/\Lambda^2$의 상한선은 무엇인가?

주요 결과

• 95% C.L.에서 왼쪽 편향 벡터 전류 결합 $f_1^L$는 체계적 오차 1% 조건에서 약 $\sim10^{-3}$ 수준의 정밀도로 탐지 가능하다.
• 오른쪽 편향 벡터 및 왼쪽/오른쪽 편향 텐서 결합은 체계적 오차와 붕괴 모드에 따라 $10^{-1}$에서 $10^{-2}$ 수준으로 제약된다.
• 강입 $W$ 붕괴 모드에서는 $|f_2^R|$의 상한선이 약 $\sim0.011$, 레프톤 모드에서는 약 $\sim0.01$ 수준이며, 95% C.L. 조건이다.
• LHeC는 차수 6 연산자 계수 $|C_{tW}/\Lambda^2|$의 제약 조건을 $\leq0.13$ TeV$^{-2}$ 수준으로 향상시킬 수 있으며, 현재의 LHC 제약 조건을 초월한다.
• LHeC의 예측 민감도는 B-메손 붕괴 및 전자약력 정밀도 데이터에서의 기존 제약 조건을 뛰어넘으며, 특히 $f_2^L$의 경우 약 $\sim10^{-2}$ 수준의 정밀도를 달성한다.
• LHC에 비해 LHeC는 훨씬 높은 정밀도를 제공하며, $f_1^L$의 경우 $10^{-3}$ 수준, 나머지 결합의 경우 $10^{-2}$ 수준의 민감도를 보이며, 특히 체계적 오차가 $\leq1\%$ 이하일 경우 두드러진다.