[논문 리뷰] Top-Quark Asymmetry -- A New Physics Overview

Susanne Westhoff|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 30인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 테바트론에서 관측된 상대적으로 큰 탑-쿼크 전방-후방 비대칭성을 설명하는 새로운 물리 모델을 검토한다. 주요 모델로는 s-채널 축기글루온, t-채널의 맛 위반 $Z^\prime$ 보손, 그리고 u-채널의 색삼중체 스칼라를 다루며, 이들 모델은 QCD 진동수와의 고차원 간섭을 통해 나무단계에서 큰 비대칭을 생성할 수 있음을 보여준다. LHC에서의 $M_{t\bar{t}}$ 스펙트럼과 위상각 비대칭 측정을 통해 $Z^\prime$ 및 축기글루온 모델을 구별할 수 있다.

ABSTRACT

Several recent measurements at the Tevatron experiments point towards an anomalously large forward-backward asymmetry in top-antitop production. This article summarizes the main classes of physics beyond the standard model that can give rise to a large asymmetry. Complementary measurements at the Large Hadron Collider will allow to distinguish between different models and thereby contribute to clarifying the presently puzzling picture.

연구 동기 및 목표

• 테바트론에서 관측된 상대적으로 큰 전방-후방 비대칭성을 설명할 수 있는 타당한 새로운 물리 모델을 식별하고 분류하는 것.
• 특히 축기글루온, 맛 위반 $Z^\prime$ 보손, 색삼중체 스칼라 등 서로 경쟁하는 새로운 물리 시나리오 간의 차이를 탑-쿼크 쌍 생성에서의 특이한 신호에 기반해 구별하는 것.
• 특히 $M_{t\bar{t}}$ 스펙트럼과 위상각 비대칭 측정을 포함한 LHC에서의 보완적 측정을 제안하여 이러한 모델을 분별하고 표준모형과의 현재의 괴리 문제를 해결하는 것.

제안 방법

• 차원 6의 4쿼크 연산자를 사용한 효과적 장 이론을 적용하여 QCD 진동수와의 간섭을 중심으로 탑-항탑 생성에서의 전방-후방 비대칭성 $A_{\rm{FB}}^{t}$ 를 분석한다.
• 새로운 매개입자의 양자수에 따라 새로운 물리 기여를 분류한다: s-채널 (축기글루온), t-채널 ($Z^\prime$), u-채널 (색삼중체 스칼라)로 각각 다른 맛 및 게이지 양자수를 가진다.
• 측정된 $t\bar{t}$ 총 단면적과 진동수 질량 분포와의 일치성, 맛 물리학 및 LHC 탐색 제약 조건을 충족하는지를 기준으로 모델의 타당성을 평가한다.
• 색삼중체 스칼라 $S_{\overline{3}}$ 의 u-채널 교환을 통해 대칭성이 깨지지 않은 맛 상호작용을 방지하고, 디젯 제약 조건을 피할 수 있다.
• LHC에서의 $\eta$-비대칭성 $A_{\eta}^{t}$ 를 사용하여 전하 비대칭 생성을 탐지할 것을 제안하며, 이는 탑과 항탑 쿼크 간의 위상각 차이로 정의된다.
• LHC 데이터, 특히 $M_{t\bar{t}}$ 스펙트럼에 대한 모델 예측을 비교하여 공진형 (축기글루온) 과 비공진형 (맛 위반 $Z^\prime$) 기여를 구별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿼크에 나무단계 결합을 가진 새로운 물리 모델이 테바트론에서 관측된 상대적으로 큰 탑-쿼크 쌍 생성의 전방-후방 비대칭성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 축기글루온, $Z^\prime$ 보손, 색삼중체 스칼라 등 서로 다른 새로운 물리 매개입자는 비대칭성 기여와 현상학적 특징에서 어떻게 다를까?
• RQ3 LHC에서의 $M_{t\bar{t}}$ 스펙트럼과 $A_{\eta}^{t}$ 비대칭성으로 이러한 모델을 어느 정도로 분별할 수 있는가?
• RQ4 디젯 생산에서의 맛 대각 및 맛 위반 기여는 타당한 모델을 제약하는 데 있어 어떤 중요성을 가지는가?
• RQ5 $Z^\prime$ 모델이 비아벨성 $SU(2)^{ut}_{R}$ 맛 대칭성에 의해 보호될 경우, 동일한 전하의 탑 생성을 피하면서도 큰 비대칭성을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 테바트론에서 관측된 탑-쿼크 쌍 생성의 전방-후방 비대칭성은 표준모형 예측을 $M_{t\bar{t}} > 0.45$ TeV에서 최대 3σ 이상 초월한다.
• 쿼크에 축성자성 결합을 가진 축기글루온은 QCD 글루온과의 간섭을 통해 큰 비대칭성을 생성할 수 있으며, $M_G \sim 1$ TeV에서 $M_{t\bar{t}}$ 스펙트럼에 공진형으로 나타나야 한다.
• t-채널에서의 맛 위반 $Z^\prime$ 보손은 $M_{W^\prime} = 200$ GeV일 때 최대 약 30%의 큰 비대칭성을 생성할 수 있으며, 비아벨성 $SU(2)^{ut}_{R}$ 맛 대칭성에 의해 동일 전하의 탑 생성에서 보호된다.
• 비대칭 맛 결합을 가진 색삼중체 스칼라 $S_{\overline{3}}$ 는 디젯 생산 제약 조건에서 강한 제약을 피하고 유해한 FCNC를 유도하지 않으면서도 비대칭성에 기여할 수 있다.
• $M_{t\bar{t}}$ 스펙트럼은 축기글루온 (공진형) 과 $Z^\prime$ 모델 (꼬리가 강화된 형태) 을 구별할 수 있으며, $A_{\eta}^{t}$ 는 기대되는 시스템적 오차 1-2% 수준에서 보완적 탐지 수 Mittel을 제공한다.
• $Z^\prime$ 모델은 LHC에서의 동일 전하의 탑 탐색 결과에 의해 95% 신뢰수준에서 배제된다. 유일한 예외는 비아贝尔성 맛 대칭성에 의해 보호되는 경우이며, 이 경우 큰 비대칭성을 생성하면서도 그러한 서명을 유도하지 않는다.