[논문 리뷰] Search for CP violation using $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $ events in the lepton+jets channel in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 CMS 실험에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용하여 토프 쿼크 쌍 생성에서의 CP 위반을 탐색한다. 레프톤+제트 최종 상태에서 네 가지 T-홀드 삼중곱 관측량을 분석함으로써, 이 분석은 차원이 없는 크로모전자기 dipole moment(CEDM)를 0.04 ± 0.10 (통계) ± 0.07 (계측)로 측정하였으며, 표준모형 예측을 초월한 유의미한 CP 위반 증거는 발견되지 않았다.

ABSTRACT

Results are presented on a search for CP violation in the production and decay of top quark-antiquark pairs in the lepton+jets channel. The search is based on data from proton-proton collisions at 13 TeV, collected with the CMS detector, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Possible CP violation effects are evaluated by measuring uncorrected asymmetries in observables constructed from linearly independent four-momentum vectors of the final-state particles. The dimensionless chromoelectric dipole moment of the top quark obtained from the observed asymmetries is measured to be 0.04 $\pm$ 0.10 (stat) $\pm$ 0.07 (syst), and the asymmetries exhibit no evidence for CP-violating effects, consistent with expectations from the standard model.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 레프톤+제트 최종 상태를 이용하여 토프 쿼크 쌍 생성 및 붕괴에서의 CP 위반을 탐색한다.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 탐지 수단으로서 토프 쿼크의 차원이 없는 크로모전자기 dipole moment(CEDM)를 측정한다.
• 표준모형을 초월한 물리학의 신호가 될 수 있는 토프 쿼크 부문에서의 CP 위반 효과에 대한 가설을 시험한다.
• 최종 상태의 4-모멘타 벡터로부터 구성된 T-홀드 관측량을 이용하여 새로운 물리학에 대한 민감도를 향상시킨다.

제안 방법

• 분석은 토프 쿼크 붕괴 프레임에서 운동량 및 스핀 벡터의 삼중곱에 기반한 네 가지 T-홀드, CP-홀드 관측량을 사용한다.
• 레프톤, b 제트, 최대 운동량의 제트의 운동량을 바탕으로 관측량을 구성하며, 검출기 효과 및 재구성 편향 보정을 적용한다.
• 레프톤+제트 최종 상태에서 신호 및 배경 기여를 동시에 피팅함으로써 배경를 제약 조건으로 제시한다.
• 측정된 비대칭성에서 CEDM를 추출하며, 계측 불확실성은 데이터 기반 방법과 시뮬레이션 검증을 통해 평가된다.
• CMS 검출기의 입자 흐름 재구성 및 제트 에너지 스케일 보정을 적용하여 운동량 해상도를 향상시키고 계측 편향을 감소시킨다.
• 몬테카를로 시뮬레이션은 파arton 샤워 모델(POWHEG+PYTHIA8)과 매칭되며, 기본 이벤트 및 검출기 효과 보정을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서의 레프톤+제트 최종 상태에서 토프 쿼크 쌍 생성 및 붕괴에서 CP 위반이 있는가?
• RQ2 측정된 토프 쿼크의 차원이 없는 크로모전자기 dipole moment(CEDM)의 상한은 얼마인가?
• RQ3 T-홀드 관측량에서 관측된 비대칭성은 표준모형 예측에서 벗어나는가?
• RQ4 레프톤+제트 채널에서 재구성 가능한 최종 상태 입자들만을 이용하여 CEDM를 제약 조건으로 삼을 수 있는가?
• RQ5 CP 위반 비대칭성 측정에서 지배적인 계측 불확실성 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 측정된 토프 쿼크의 차원이 없는 크로모전자기 dipole moment(CEDM)는 0.04 ± 0.10 (통계) ± 0.07 (계측)로, 0과 일치한다.
• 네 가지 T-홀드 관측량 중 어느 하나에서도 유의미한 CP 위반 비대칭성이 관측되지 않아, 표준모형과 일관됨을 시사한다.
• 관측된 비대칭성은 표준모형 예측과 호환되며, 새로운 물리 기여의 증거가 없다.
• 분석은 통계적 불확실성 수준에서 CEDM에 대해 0.10의 민감도를 확보하였으며, 이는 이전 8 TeV 데이터 결과를 향상시킨다.
• 계측 불확실성은 주로 제트 에너지 스케일과 토프 쿼크 붕괴 운동학 모델링에 의해 결정되며, 레프톤 및 b-제트 식별에 소량의 기여가 있다.
• 결과는 High Energy Physics 저널에 게재되었으며, 공개 접근을 위한 HEPData 레포지터리에 암호화되어 있다.