[논문 리뷰] Probing leptoquark chirality via top polarization at the Colliders

Joydeep Roy|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 충돌기에서 톰 쿼크의 스핀 분포를 이용해 렙토쿼크의 편극성을 조사하는 방법을 제안한다. 완전하게 하드론적 및 반반열성 붕괴에서 b 쿼크 에너지 비율을 이용해 톰 쿼크의 편극성을 재구성함으로써, 순수하게 왼쪽 수체의 벡터 렙토쿼크는 표준모형 t\bar{t} 배경과 구별될 수 있음을 보여준다. FCC-hh 충돌기에서는 높은 배경 수준에도 불구하고 강력한 감도를 보이며, 이는 주목할 만하다.

ABSTRACT

Anomalies in recent LHCb, Belle and Babar measurements of $R_{D^{(*)}}$, and $R_{K^{(*)}}$ in $B$ decays may indicate the new physics beyond the Standard Model (SM). The leptoquarks ($LQ$) that couple to the $3^{\mathrm{rd}}$ generation quarks and leptons have been proposed as a viable new physics (NP) explanation. Such left-handed $LQ$s can couple to both bottom and top quarks. Since top particles decay before the hadronization, it is possible to reconstruct chirality of boosted top quarks and consequently the chirality of top coupling to the $LQ$s. We perform analysis on the top quark's chirality in the pair-production channel of the $LQ$, which can be purely left-handed in comparison to unpolarized $t\bar{t}$ SM background. We study the prospects of distinguishing the chirality of a potential $LQ$ signal for the high luminosity run of the LHC and other future colliders.

연구 동기 및 목표

• 세 번째 세대 쿼크와 렙톤과 결합하는 렙토쿼크의 편극성을 충돌기에서 톰 쿼크의 스핀 분포를 이용해 조사할 수 있는지 탐구하는 것.
• B-L 보존을 유지하고 급속한 양성자 붕괴를 피하는 렙토쿼크 모형을 탐색하여 $R_{D^{(*)}}$ 및 $R_{K^{(*)}}$ 붕괴에서의 이４차를 해결하는 것.
• 톰 쿼크가 하드론화되기 이전에 붕괴된다는 사실을 활용하여, 톰 붕괴에서의 b 쿼크 에너지 비율을 이용해 톰 쿼크 편극성을 재구성하는 모형 독립적 방법을 개발하는 것.
• 특히 고광도 LHC와 FCC-hh를 포함한 향후 충돌기의 순수한 왼쪽 수체 벡터 렙토쿼크 신호를 탐지할 수 있는 감도를 평가하는 것.
• 특히 부족한 횡방향 에너지(MET) 절단을 포함한 운동량 절단을 통해 주로 표준모형 $t\bar{t}$ 배경과 렙토쿼크 신호를 구별하는 것.

제안 방법

• 톰 쿼크와 결합하고, 톰 쿼크와 충전 렙톤으로 붕괴하는 순수한 왼쪽 수체 벡터 렙토쿼크 $U_3 = (\mathbf{3},\mathbf{3},2/3)$를 고려한다.
• 톰 쿼크의 편극성은 톰 붕괴 생성물에서의 b 쿼크 에너지 비율을 통해 재구성되며, 이는 톰의 헬리시티에 민감한 모형 독립적 변수이다.
• Monte Carlo 시뮬레이션을 사용하여 $\sqrt{s} = 13~\mathrm{TeV}$ (LHC) 및 $\sqrt{s} = 100~\mathrm{TeV}$ (FCC-hh)에서 신호 및 표준모형 $t\bar{t}$ 배경 사건을 생성한다.
• 에너지 및 MET 절단을 포함한 운동량 절단을 적용하여 표준모형 배경을 억제하면서도 신호 사건을 유지한다.
• b 쿼크 에너지 비율에 대해 4개의 밴드로 분석을 수행하고, $\chi^2$ 기반 감도 테스트를 통해 95% 신뢰수준에서의 발견을 위한 필요 루미노사티를 결정한다.
• $\chi^2$ 함수는 $\chi^2 = \sum_{i=1}^{4} \frac{(x_i - \mu_i)^2}{\sigma_i}$ 로 정의되며, 여기서 $x_i$는 신호 예측값이고 $\mu_i$는 표준모형 배경이며, $\sigma_i = x_i + \mu_i$ 이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세 번째 세대 페르미온과 결합하는 렙토쿼크의 편극성은 충돌기에서 톰 쿼크의 스핀 분포를 이용해 조사될 수 있는가?
• RQ2 b 쿼크 에너지 비율은 왼쪽 수체와 오른쪽 수체 톰 쿼크 붕괴를 구별하는 데 얼마나 효과적인 모형 독립적 관측량인가?
• RQ3 고광도 LHC와 FCC-hh에서 순수한 왼쪽 수체 벡터 렙토쿼크 신호를 95% 신뢰수준에서 발견하기 위해 필요한 루미노사티는 얼마인가?
• RQ4 HL-LHC와 FCC-hh 간의 신호 대 배경 비율은 어떻게 달라지며, MET 절단은 표준모형 $t\bar{t}$ 배경을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ5 FCC-hh에서 표준모형 $t\bar{t}$ 배경률이 더 높음에도 불구하고, 렙토쿼크 신호는 표준모형 $t\bar{t}$ 배경과 효과적으로 구별될 수 있는가?

주요 결과

• 고광도 LHC에서 $150~\mathrm{fb}^{-1}$ 루미노사티 조건에서는 약 1.5개의 신호 사건만 기대되며, 순수한 왼쪽 수체 렙토쿼크를 탐지하는 데 있어 거의 감도가 없음을 시사한다.
• FCC-hh에서 $1000~\mathrm{fb}^{-1}$ 루미노사티 조건에서는 약 $2.2 \times 10^5$개의 신호 사건이 기대되며, 렙토쿼크 신호에 대해 강력한 감도를 보임을 보여준다.
• 95% 신뢰수준에서의 발견을 위한 필요 루미노사티는 FCC-hh에서 $0.363~\mathrm{fb}^{-1}$로 추정되며, 고광도 LHC에서는 $3.6 \times 10^5~\mathrm{fb}^{-1}$를 초과하여, 고광도 LHC는 이 신호에 대해 감도가 없음을 의미한다.
• b 쿼크 에너지 비율은 왼쪽 수체 톰 쿼크와 오른쪽 수체 톰 쿼크를 명확히 구별할 수 있는 모형 독립적 서명을 제공하며, 이는 편극성 재구성에 기여한다.
• MET 절단은 표준모형 $t\bar{t}$ 배경을 크게 감소시켜, 신호 대 배경 비율을 향상시키고 렙토쿼크 신호의 구별 가능성을 높인다.
• FCC-hh에서 표준모형 $t\bar{t}$ 배경률이 더 높음에도 불구하고, 신호의 특이한 스펙트럼 형상 덕분에 효과적인 분리가 가능하여, 향후 충돌기에서 편극성 조사의 가능성은 확인된다.