[논문 리뷰] Production and measurement of $e^{+}e^{-} ightarrow c\bar{c}$ signatures at the 250 GeV ILC

A. Irles Quiles, Roman Poeschl외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 16인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 250 GeV 국제 선형 충돌기(ILC)에서 $e^+e^- \to c\bar{c}$ 생성에 대한 상세한 시뮬레이션 연구를 제시하며, 2000 fb$^{-1}$ 루미노티 및 편광된 입자 비드를 가질 경우 ILC가 $c\bar{c}$ 총단면적과 전방-후방 비대칭성에 대해 총 실험적 불확도 ~0.2%로 측정할 수 있음을 보여주며, 이는 95% 신뢰수준에서 최대 34 TeV까지의 Randal-Sundrum Z' 공진형에 대한 감도를 가능하게 한다.

ABSTRACT

This document discusses for the first time the experimental prospects on the measurement of cross section and the forward-backward asymmetry in $e^{-}e^{+} ightarrow c\bar{c}$ collisions at 250 GeV at the International Linear Collider operating polarised beams. The cross section will be normalised to the total hadronic cross section. We discuss the results for an analysis assuming the integrated luminosity of 2000 fb$^{-1}$ foreseen in the baseline project. The measurement requires determining the charge of both jets identified as originated by a $c$-quark. The charge measurement is optimally performed using the precise micro-vertex detector of the detector ILD and the charged kaon identification provided by the $\frac{dE}{dx}$ information of its TPC. Thanks to the beam polarisation, we can separate the four independent chirality combinations of the electroweak couplings, enhancing in this way the sensitivity to new physics effects. We show that due to the unprecedented precision that will be achieved by the ILC for these observables, the ILC will be sensitive to the existence of beyond the standard model Randal Sundrum resonances of several tens of TeV.

연구 동기 및 목표

• 250 GeV에서 운용되는 ILC에서 $e^+e^- \to c\bar{c}$ 총단면적과 전방-후방 비대칭성 측정의 실험적 가능성을 평가하기 위해.
• c-쿼크에 대한 전자약력 상호작용의 네 가지 독립적인 쿠퍼링 구조를 해소하기 위해 입자 비드의 영향을 평가하기 위해.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상, 특히 Randal-Sundrum Z' 공진형에 대한 ILC의 감도를 결정하기 위해.
• 고정밀 빌드업 및 $dE/dx$ 기반 카이온 식별이 c-쿼크 전하 태깅에 있어 중요한 역할을 하는지 보여주기 위해.
• 전체 검출기 시뮬레이션과 재구성 기법을 사용하여 $R_c$ 및 $A^{c\bar{c}}_{FB}$에 대한 기대 실험 정밀도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• ILD 개념을 사용한 전체 검출기 시뮬레이션으로 Mokka/Geant4 프레임워크와 ILCSoft 재구성 도구를 활용하였다.
• WHIZARD 1.95를 사용한 1차 순서 이벤트 생성 후, Pythia 6.422를 사용한 파르톤 쇼어링 및 하드론화 처리를 수행하였다.
• 고해상도 TPC를 활용해 $dE/dx$ 기반의 양성자 카이온 식별 및 정밀한 빌드업 재구성을 통해 c-쿼크 태깅을 수행하였다.
• 입자 흐름 재구성 및 제트 클러스터링 알고리즘을 적용하여 $c\bar{c}$ 이벤트를 분리하였다.
• 편광된 입자 비드 구성($e_L p_R$ 및 $e_R p_L$)을 도입하여 독립적인 스핀 양자수를 접근하였다.
• 재구성된 각도 분포를 피팅하여 $A^{c\bar{c}}_{FB}$를 추출하고 통계적 및 체계적 불확도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2000 fb$^{-1}$ 루미노티를 가진 ILC250에서 $c\bar{c}$ 전방-후방 비대칭성 $A^{c\bar{c}}_{FB}$에 대한 기대 정밀도는 얼마인가요?
• RQ2 입자 비드의 영향은 $c\bar{c}$ 생성에서 전자약력 상호작용의 쿠퍼링 기하학적 특성에 대한 감도를 어떻게 향상시키나요?
• RQ3 250 GeV에서 $c\bar{c}$ 관측량을 통해 ILC는 Randal-Sundrum Z' 공진형을 어느 정도까지 탐색할 수 있나요?
• RQ4 ILD 검출기의 빌드업 및 $dE/dx$ 기반 기능이 비대칭성 측정에 필수적인 c-쿼크 전하 태깅을 위해 얼마나 강력한가요?
• RQ5 $R_c$ 및 $A^{c\bar{c}}_{FB}$에 대한 기대 실험적 불확도가 이론적 기대치와 LHC 감도에 비해 어떻게 비교되나요?

주요 결과

• $e_L p_R$ 편광 조건에서 $A^{c\bar{c}}_{FB}$에 대한 기대 총 실험적 불확도는 통계적 불확도 0.16% + 체계적 불확도 0.09%이며, $e_R p_L$ 조건에서는 0.20% + 0.10%이다.
• 전체 2000 fb$^{-1}$ 프로그램 동안 ILC는 $A^{c\bar{c}}_{FB}$에 대해 약 0.2%의 병합 실험 정밀도를 달성하며, LEP 및 SLD에 비해 크게 향상되었다.
• 신호가 없을 경우 ILC는 95% 신뢰수준에서 최대 34 TeV까지의 Randal-Sundrum Z' 공진형에 감도를 가진다.
• 입자 비드를 통해 왼쪽 및 오른쪽 편광된 스핀 양자수를 독립적으로 측정할 수 있어 다양한 BSM 모델 간의 구별이 가능하다.
• ILD 검출기의 고정밀 빌드업 및 $dE/dx$ 기반 카이온 식별 능력은 c-쿼크 제트 전하를 명확히 식별하는 데 필수적이다.
• ILC250 프로그램과 이전의 GigaZ 데이터를 조합하면 쿼크에 대한 Z 보손 상호작용에 대한 정밀도가 약 5배 향상되며, BSM 효과에 대한 감도가 향상된다.