[논문 리뷰] Tevatron Top Quark Forward-Backward Asymmetry -- Implications for Same-sign Top Quark Pair Production

Edmond L. Berger|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 70인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 테바트론의 톰 쿼크 전방-후방 비대칭성에 대한 설명으로서 맛이 변화하는 $Z^\prime$ 보손을 조사하며, 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 같은 전하의 톰 쿼크 쌍($tt$) 생성이 증가할 것임을 예측한다. 7 TeV에서 35 pb$^{-1}$의 CMS 데이터는 비대칭성을 설명하는데 필요한 매개변수 공간을 배제하여, 가장 단순한 $Z^\prime$ 모델이 관측 결과와 일치하지 않음을 보여준다.

ABSTRACT

The forward-backward asymmetry for top quarks measured in proton-antiproton collisions at the Tevatron shows an interesting deviation from standard model expectations. Among possible interpretations, the exchange of a non-universal, flavor-changing $Z^\prime$ is of some interest as it naturally predicts a top quark in the forward region of rapidity. To reproduce the size of the Tevatron asymmetry, the couplings of the $Z^\prime$ to standard model quarks must be large, inevitably leading to production of same-sign top quark pairs at the Tevatron and at the Large Hadron Collider (LHC). We discuss the constraints on this model from (a) the Tevatron $t \bar{t}$ cross section, (b) the Tevatron $t \bar{t}$ invariant mass distribution, and the limits at the Tevatron on the same sign top quark pair cross section. We explore the discovery potential for $tt$ and $ttj$ production in early LHC experiments at 7 TeV and conclude that if a $tt$ signal is not observed with 1 fb$^{-1}$ of integrated luminosity, then a non-universal $Z^\prime$ alone cannot explain the Tevatron forward-backward asymmetry. Limits on the same sign cross section at the LHC from the CMS collaboration already disfavor this interpretation of the reported asymmetry.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측을 초월하여 테바트론에서 관측된 톰 쿼크 전방-후방 비대칭성을 설명하기 위해.
• 비일반적인, 맛이 변화하는 $Z^\prime$ 보손이 비대칭성의 원인일 수 있는지 타당성을 평가하기 위해.
• 테바트론 제약 조건에 기반하여 LHC에서의 같은 전하의 톰 쿼크 쌍 생성 확률를 예측하기 위해.
• 초기 LHC 운행에서 $tt$ 및 $ttj$ 최종 상태의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• 톰 쿼크의 극화가 이 모델을 다른 새로운 물리 현상과 구별하는 데 사용될 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 오른쪽 편향된 $u$-$t$-$Z^\prime$ 결합을 가진 $t$-채널 $Z^\prime$ 교환을 통한 $t\bar{t}$ 생성 모델링하며, $B_d$ 혼합 제약 조건을 피하기 위해 $f_L=0$로 설정한다.
• 테바트론의 $A_{\rm FB}$ 및 $t\bar{t}$ 총 단면적 데이터를 사용하여 $f_R$와 $m_{Z^\prime}$를 제약한다.
• LHC에서의 $tt$ 및 $tt\bar{u}$ 생성에 대한 포함 단면적을 $f_R$와 $m_{Z^\prime}$의 함수로 계산한다.
• 운동학적 절단 및 재구성 기법(특히 MT2 방법)을 적용하여 $t\to Wb$ 붕괴를 식별하고, 톰 쿼크의 극화를 측정한다.
• 중성미온의 운동량을 비틀림 조건을 사용하여 재구성하여, 톰 쿼크 정지 프레임에서의 타는 레이튼 레이턴의 각도 분포를 결정한다.
• 예측된 $tt$ 및 $ttj$ 확률를 7 TeV에서 35 pb$^{-1}$의 데이터로 얻은 CMS 실험 제약 조건과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오른쪽 편향된 결합을 가진 맛이 변화하는 $Z^\prime$ 보손이 테바트론의 톰 쿼크 전방-후방 비대칭성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 이 $Z^\prime$ 모델 하에서 LHC에서의 같은 전하의 톰 쿼크 쌍 생성 확률는 예측되는가?
• RQ3 예측된 $tt$ 및 $ttj$ 생성 확률는 CMS의 기존 LHC 실험 제약 조건과 일치하는가?
• RQ4 이 모델을 다른 새로운 물리 현상과 구별하기 위해 $tt$ 사건에서의 톰 쿼크 극화를 측정할 수 있는가?
• RQ5 $ttj$ 최종 상태가 $Z^\prime$ 공명 질량을 재구성하는 데 도움이 되는가?

주요 결과

• $f_R$가 큰 오른쪽 편향된 결합을 가진 $Z^\prime$ 모델은 $t\bar{t}$ 총 단면적과 진동 질량 분포와도 일치하면서 테바트론의 전방-후방 비대칭성을 설명할 수 있다.
• 큰 $uu$ 파르톤 루미노사티가 존재하므로 이 모델은 LHC에서 뚜렷한 같은 전하의 톰 쿼크 쌍 생성을 예측하며, $m_{Z^\prime} \lesssim 1$ TeV일 경우 몇 페트로바른(.fb) 수준의 단면적이 도달한다.
• 7 TeV에서 35 pb$^{-1}$의 CMS 데이터는 비대칭성을 설명하기 위해 필요한 매개변수 공간($f_R \gtrsim 0.5$, $m_{Z^\prime} > 200$ GeV)을 95% 신뢰수준에서 배제한다.
• $tt$ 사건에서의 타는 레이튼의 $\cos\theta$ 분포가 오른쪽 편향된 톰 쿼크 극화에 기대하는 $1+\cos\theta$ 형태와 일치하여, 모델의 운동학적 서명을 지지한다.
• $ttj$ 최종 상태는 톰 쿼크와 경량 제트의 진동 질량을 통해 $Z^\prime$ 질량을 재구성할 잠재적 경로를 제공하지만, $tt$ 경우에 비해 발생률은 낮다.
• 초기 LHC 데이터에서 통합 루미노사티 1 fb$^{-1}$를 사용한 $tt$ 신호의 부재는 간단한 $Z^\prime$ 모델이 테바트론 비대칭성의 완전한 설명이 될 수 없음을 시사한다.