[논문 리뷰] Observing Spin Correlations in Single Top Production and Decay

Gregory Mahlon|ArXiv.org|2000. 11. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 테바트론에서 단일 톰 쿼크 생성 및 붕괴 시 스핀 상관관계를 조사하며, 붕괴 입자의 각도 분포를 통해 톰 쿼크의 스핀극성도를 탐색한다. 적절한 스핀 측정 축을 선택할 경우, $W^* $-융합 및 $Wg$-융합 채널 모두에서 톰 쿼크는 매우 높은 극성도(95% 이상)를 띠며, 특히 도전 레프톤이 톰 쿼크 스핀과 최대 상관관계($\alpha_\ell = 1$)를 보이므로 런 II에서 관측 가능한 스핀 상관관계를 제공한다.

ABSTRACT

The weak decay of a polarized top quark has a rich structure of angular correlations among its decay products. We describe some of the noteworthy features of such decays. We then examine the three modes of single top production, with an emphasis on the status of calculations of the degree and direction of polarization at Run II of the Tevatron. The associated production of a top quark with a W boson will be very difficult to observe at the Tevatron. Prospects for observing the other two production mechanisms are much better. The spin state of the produced top quark is understood at leading order in the W* production channel. For the Wg-fusion process, we present new results including the resummed logarithmic corrections of the form ln(mt^2/mb^2). The spin-dependence of the complete order alpha_s corrections to either of these processes has not yet been determined. The fraction of spin up top quarks is large (approx. 95%) for both modes provided that the appropriate spin quantization axis is chosen.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서의 톰 쿼크 붕괴 스핀 구조, 특히 붕괴 입자와 톰 쿼크 스핀 간의 각도 상관관계를 연구하기 위해.
• 특히 런 II에서 테바트론의 단일 톰 쿼크 생성 모드에서 톰 쿼크의 극성도와 극성 방향을 평가하기 위해.
• 단일 톰 쿼크 사건에서 스핀에 의존하는 상관관계의 관측 가능성 평가 및 $t\bar{t}$ 쌍 생성과 비교하기 위해.
• 특히 $\ln(m_t^2/m_b^2)$와 같은 고차수 QCD 보정, 특히 $Wg$-융합에서의 누적 로그 항이 톰 쿼크 극성도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 $W^* $-융합 및 $Wg$-융합 채널에서 관측 가능한 스핀 상관관계를 식별하기 위해.

제안 방법

• 톰 쿼크의 붕괴에서의 각도 분포를 모델링하기 위해 표준모형의 $V-A$ 특성에 기반한 $Wtb$ 정점의 구조를 사용한다.
• 각도 분포 공식 $ \frac{1}{\Gamma_T} \frac{d\Gamma}{d(\cos\chi_i^t)} = \frac{1}{2}(1 + \alpha_i \cos\chi_i^t) $를 적용하며, 여기서 $\alpha_i$는 각 붕괴 입자에 대한 스핀 상관관계를 정량화한다.
• PDG2000에서 제공하는 $m_t$ 및 $m_W$의 입력값을 사용하여 $W$, $b$, $\ell$, $\bar{\ell}$ 및 기타 쿼크에 대한 상관관계 계수 $\alpha_i$를 평가한다.
• $Wg$-융합 생성에서의 스핀 의존성 분석을 수행하며, $\ln(m_t^2/m_b^2)$ 보정 항을 누적시켜 극성도 예측을 향상시킨다.
• $W^* $-융합 및 $Wg$-융합 메커니즘 간의 단일 톰 쿼크 생성을 비교하며, 극성도를 최대화하는 스핀 측정 축을 집중적으로 분석한다.
• 예상 테바트론 런 IIa 루미너사티를 바탕으로 $3\sigma$ 유의수준 기준 통계적 관측 가능성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론에서 $W^* $-융합 및 $Wg$-융합 단일 톰 쿼크 생성에서 톰 쿼크의 극성도는 어느 정도인가?
• RQ2 톰 쿼크 붕괴 입자 간의 각도 상관관계와 스핀은 그 자체의 정착 프레임에서 어떻게 나타나며, 어떤 붕괴 입자가 최대 상관관계를 보이는가?
• RQ3 런 IIa 루미너사티를 기반으로 테바트론에서 단일 톰 쿼크 사건의 스핀 상관관계를 관측할 수 있는가? 어떤 생성 모드가 가장 유망한가?
• RQ4 고차수 QCD 보정, 특히 $\ln(m_t^2/m_b^2)$ 항이 $Wg$-융합에서 예측된 극성도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 스핀 측정 축의 선택은 단일 톰 쿼크 사건에서 관측된 극성도와 상관관계 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 도전 레프톤(또는 하드론적 붕괴에서의 $d$-형 쿼크)은 왼쪽 편향된 $W$ 보손 상태와 종방향 $W$ 보손 상태 간의 간섭으로 인해 정확히 $\alpha_\ell = 1$로 톰 쿼크 스핀과 최대 상관관계를 보인다.
• $W^* $-융합에서 반프로톤 비트 방향을 스핀 측정 축으로 선택할 경우, 98%의 톰 쿼크가 스핀 업 상태로 생성된다.
• $Wg$-융합에서 관측자 쿼크 방향을 스핀 측정 축으로 선택할 경우, 96%의 톰 쿼크가 스핀 업 상태로 생성된다.
• $Wg$-융합에서의 누적된 $\ln(m_t^2/m_b^2)$ 보정은 주로 선형 결과보다 약간 더 높은 순수 극성도를 제공한다.
• $Wg$-융합 모드에서 톰 쿼크 스핀 축과 도전 레프톤 방출 각도 간의 상관관계는 테바트론 런 IIa에서 $3\sigma$ 수준에서 관측 가능할 것으로 예상된다.
• 연관된 $tW$ 생성 모드는 테바트론에서 관측하기에는 너무 작지만, 나머지 두 모드($W^* $-융합 및 $Wg$-융합)는 극성도 및 스핀 상관관계 측정에 매우 유망한 전망을 보인다.