[논문 리뷰] Study of Top-Quark Production and Decays involving a Tau Lepton at CDF and Limits on a Charged-Higgs Boson Contribution

CDF Collaboration, T. Aaltonen외 407명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 CDF 연구는 9 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 탑 쿼크 쌍 생성 및 타우 레프톤을 포함하는 붕괴를 분석하며, 단일 타우 및 딸레프톤 성분을 포함한 최대우도 적합을 통해 브랜치 비율 𝒫(t→τνb) = 9.6 ± 2.8%를 측정하여 불확실성 범위 내에서 레프톤 대칭성과 일치함을 확인한다. 또한 탑 쿼크가 충전된 힉스 보손과 바텀 쿼크로 붕괴하는 브랜치 비율에 대해 95% 신뢰수준 상한선 5.9%를 설정하였으며, LHC 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

We present an analysis of top-antitop quark production and decay into a tau lepton, tau neutrino, and bottom quark using data from $9 { m fb}^{-1}$ of integrated luminosity at the Collider Detector at Fermilab. Dilepton events, where one lepton is an energetic electron or muon and the other a hadronically-decaying tau lepton, originating from proton-antiproton collisions at $\sqrt{s} = 1.96 TeV$ are used. A top-antitop quark production cross section of $8.1 \pm 2.1 { m pb}$ is measured, assuming standard-model top-quark decays. By separately identifying for the first time the single-tau and the ditau components, we measure the branching fraction of the top quark into tau lepton, tau neutrino, and bottom quark to be $(9.6 \pm 2.8) %$. The branching fraction of top-quark decays into a charged Higgs boson and a bottom quark, which would imply violation of lepton universality, is limited to be less than $5.9%$ at $95%$ confidence level.

연구 동기 및 목표

• CDF에서 이중레프톤 t¯t 사건을 이용하여 탑 쿼크 붕괴의 브랜치 비율을 타우 레프톤, 타우 옹호, 바텀 쿼크로 측정한다.
• 타우 모드의 브랜치 비율을 전자 및 뮤온 모드의 평균과 비교하여 탑 쿼크 붕괴에서의 레프톤 대칭성을 검증한다.
• 모델에 종속되지 않는 방식으로 탑 쿼크가 충전된 힉스 보손과 바텀 쿼크로 붕괴하는 브랜치 비율에 대한 상한선을 설정한다. 이때 H⁻→τν 붕괴를 가정한다.
• 적합에 CDF의 단일 레프톤 채널 t¯t 총단면적 측정치(톱싱글레프)를 제약 조건으로 포함시켜 민감도를 향상시킨다.

제안 방법

• 단일 타우 및 딸레프톤 최종 상태로 나누어 t¯t 사건의 진동 질량 분포에 대해 빈도 기반 최대우도 적합을 수행한다.
• 적합에는 탑 쿼크의 τνb 붕괴(브랜치 비율에 비례하는 선형 항), Drell-Yan, 이보손 생성, 그리고 잘못 식별된 제트가 타우 레프톤으로 간주되는 성분이 포함된다.
• 체계적 불확실성은 부수적 매개변수로 모델링되며, 가장 큰 영향을 미치는 것은 제트가 타우 레프톤으로 잘못 식별될 확률이다.
• 적합에 CDF의 단일 레프톤 t¯t 총단면적 측정치(topsinglelep)를 χ² 적합의 제약 조건으로 포함시켜 브랜치 비율 측정의 정밀도를 향상시킨다.
• 브랜치 비율에 대한 95% 신뢰수준 상한선을 설정하기 위해 최대우도 비율 방법을 사용한다.
• 이 분석은 H⁻→τν의 전부 브랜치 비율을 가정하며, H⁺와 W 보손의 타우 채널 붕괴에서 동일한 수용률을 사용한다. 이는 이전 CDF 결과에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탑 쿼크가 타우 레프톤, 타우 옹호, 바텀 쿼크로 붕괴하는 경우의 브랜치 비율은 얼마인가요?
• RQ2 t→τνb의 측정된 브랜치 비율이 t→eνb 및 t→μνb와 비교할 때 레프톤 대칭성과 일치하는가요?
• RQ3 95% 신뢰수준에서 탑 쿼크가 충전된 힉스 보손과 바텀 쿼크로 붕괴하는 브랜치 비율에 대한 상한선은 얼마인가요?
• RQ4 단일 레프톤 t¯t 총단면적 측정치의 포함이 브랜치 비율 결정의 정밀도를 어떻게 향상시키는가요?
• RQ5 결과는 이전 및 현재 LHC의 t→H⁺b 제약 조건과 어떻게 비교되는가요?

주요 결과

• 탑 쿼크가 타우 레프톤, 타우 옹호, 바텀 쿼크로 붕괴하는 브랜치 비율은 𝒫(t→τνb) = 9.6 ± 2.8%로 측정되었다.
• 브랜치 비율 𝒫(t→τνb)과 𝒫(t→eνb) 및 𝒫(t→μνb)의 평균의 비율은 0.88 ± 0.26로 측정되었으며, 레프톤 대칭성과 일치한다.
• 95% 신뢰수준에서, 최대우도 비율 방법에 기반해 t→τνb의 브랜치 비율이 15.8% 이상일 경우를 배제한다.
• 충전된 힉스 보손으로의 붕괴에 대한 브랜치 비율 상한선은 𝒫(H⁻→τν) = 1을 가정할 때 95% 신뢰수준에서 5.9%로 설정되었다.
• 결과는 최근 ATLAS 및 CMS의 LHC 제약 조건과 일치하며, 𝒫(H⁻→τν) = 1일 때 𝒫(t→H⁺b)가 0.01–0.05 이하로 제약됨을 시사한다.
• 제트가 타우 레프톤으로 잘못 식별될 가능성이 최대우도 형태에 미치는 영향은 미미하여, 적합의 강건성을 검증한다.