[논문 리뷰] Probing New Physics using top quark polarization in the e+e- -> t \bar{t} process at future Linear Colliders

P. H. Khiem, E. Kou외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 향후 선형 컬라이더에서 $e^+e^- \to t\bar{t}$ 반응에서 완전하게 렙톤 final state를 사용하여 top 쿼크의 분극을 조사한다. 행렬 원소 방법을 활용해 $Vt\bar{t}$ 결합을 고정밀도로 탐색한다. $\sqrt{S} = 500$ GeV에서 500 fb$^{-1}$의 데이터로, 10개의 형상 인자들을 백분율 이내의 정밀도로 동시에 측정함을 보여주며, NLO 전자약 보정과 빔 분극의 중요성을 강조한다.

ABSTRACT

We investigate the sensitivity to new physics of the process e+e- -> t bar{t} when the top polarization is analyzed using leptonic final states e+e- -> t \bar{t} -> l+l- b \bar{b} nu_l \bar{nu}_l. We first show that the kinematical reconstruction of the complete kinematics is experimentally tractable for this process. Then we apply the matrix element method to study the sensitivity to the Vt\bar{t} coupling (V being a vector gauge boson), at the tree level and in the narrow width approximation. Assuming the ILC baseline configuration, sqrt{S}=500 GeV, and a luminosity of 500 fb^{-1}, we conclude that this optimal analysis allows to determine simultaneously the ten form factors that parameterize the Vt\bar{t} coupling, below the percent level. We also discuss the effects of the next leading order (NLO) electroweak corrections using the GRACE program with polarized beams. It is found that the NLO corrections to different beam polarization lead to significantly different patterns of contributions.

연구 동기 및 목표

• 미래의 $e^+e^-$ 컬라이더에서 완전하게 렙톤 final state로 분해되는 $t\bar{t}$ 붕괴의 운동학적 재구성 가능성을 평가하기 위해.
• 나무 수준에서 $Vt\bar{t}$ 결합을 통한 새로운 물리에 대한 top 쿼크 분극의 민감도를 연구하기 위해.
• 다음으로 높은 순서(NLO) 전자약 보정이 분극 측정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 형상 인자와 CP 위반 매개변수에 대한 민감도 향상에 있어 분극 빔의 역할을 정량화하기 위해.

제안 방법

• $e^+e^- \to t\bar{t} \to l^+l^-b\bar{b}\nu_l\bar{\nu}_l$ final state에서 렙톤과 바텀 쿼크 운동량으로부터 전체 $t\bar{t}$ 운동학을 재구성하기 위해 행렬 원소 방법을 사용한다.
• 10개의 형상 인자로 $Vt\bar{t}$ 결합을 기술하기 위해 좁은 너비 근사와 나무 수준의 효과적 장 이론을 적용한다.
• 이론적 불확실성을 평가하기 위해 분극 빔을 사용하여 NLO 전자약 보정을 계산하는 GRACE 프로그램을 활용한다.
• 모의 사건에서 형상 인자와 CP 위반 매개변수를 추출하기 위해 가능도 기반 접근법을 사용한다.
• 로그 가능도에서의 공분산 행렬의 역행렬을 사용하여 형상 인자에 대한 통계적 불확실성을 결정한다.
• 민감도를 최적화하기 위해 빔 분극 설정($P_{e^-} = \pm80\%$, $P_{e^+} = \mp30\%$)을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 $e^+e^-$ 컬라이더에서 완전하게 렙톤 final state로 붕괴하는 $t\bar{t}$ 붕괴의 전체 운동학이 고정밀도로 재구성될 수 있는가?
• RQ2 ILC 기본 에너지에서 $Vt\bar{t}$ 결합을 기술하는 10개의 형상 인자에 대해 top 쿼크 분극의 민감도는 어떠한가?
• RQ3 NLO 전자약 보정은 top 쿼크 분극 측정과 형상 인자 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 분극 빔은 $t\bar{t}$ 영역에서의 CP 위반 상호작용을 해소하는 데 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 행렬 원소 방법은 완전하게 렙톤 final state에서 $t\bar{t}$ 운동학을 정밀하게 재구성할 수 있으며, top 쿼크 스핀과 생성 각도를 결정할 수 있다.
• 500 fb$^{-1}$의 데이터로 $\sqrt{S} = 500$ GeV에서, 이 방법은 모든 10개의 $Vt\bar{t}$ 형상 인자를 백분율 이내의 정밀도로 측정할 수 있다.
• NLO 전자약 보정은 서로 다른 빔 분극 상태에서 상당히 다른 패턴을 보이며, 이는 분극에 의존하는 이론적 불확실성을 시사한다.
• 높은 실험 정밀도를 고려할 때, NLO 보정의 포함은 이론 오차를 천분율 수준에서 제어하기 위해 필수적이다.
• 행렬 원소 방법은 이전 방법에 비해 CP 위반 매개변수에 대한 민감도를 거의 한 계단 높여주며, $\sigma[\alpha_r] \simeq \sigma[\alpha_i] \simeq 0.01$이 된다.
• 공분산 행렬 분석은 역공분산 행렬에 영향을 주는 것은 오직 $\omega_r$와 $\omega_i$뿐임을 확인하여, CP-홀수 매개변수 추출에 대한 방법의 강건성을 검증한다.