[论文解读] A precise characterisation of the top quark electro-weak vertices at the ILC

Mohammad Sohail Amjad, S. Bilokin+11 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用 11

一句话总结

本文利用国际线性对撞机（ILC）在$\sqrt{s} = 500$ GeV下的$e^+e^-$碰撞，采用极化束流，对顶夸克的电弱耦合进行了高精度模拟研究。结果表明，顶夸克与光子及$Z^0$玻色子的矢量、轴矢量和张量耦合可实现亚百分之一精度的提取，从而能够以高显著性区分多种超出标准模型的新物理模型。

ABSTRACT

Top quark production in the process $e^+e^- o t\bar{t}$ at a future linear electron positron collider with polarised beams is a powerful tool to determine indirectly the scale of new physics. The presented study, based on a detailed simulation of the ILD detector concept, assumes a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=500\,$GeV and a luminosity of $\mathcal{L}=500\,{ m fb}^{-1}$ equally shared between the incoming beam polarisations of $\mathcal{P}_{e^-}, \mathcal{P}_{e^+} =\pm0.8,\mp0.3$. Events are selected in which the top pair decays semi-leptonically and the cross sections and the forward-backward asymmetries are determined. Based on these results, the vector, axial vector and tensorial $CP$ conserving couplings are extracted separately for the photon and the $Z^0$ component. With the expected precision, a large number of models in which the top quark acts as a messenger to new physics can be distinguished with many standard deviations. This will dramatically improve expectations from e.g. the LHC for electro-weak couplings of the top quark.

研究动机与目标

• 通过ILC上的$e^+e^- \to t\bar{t}$过程精确测定顶夸克的电弱耦合。
• 评估ILC通过顶夸克形式因子偏离情况对新物理的敏感度。
• 评估束流极化对系统误差和测量精度的影响。
• 比较ILC与大型强子对撞机（LHC）在$CP$-守恒耦合背景下的顶夸克耦合敏感度。

提出的方法

• 使用ILD探测器概念的完整模拟，对$\sqrt{s} = 500$ GeV下$\mathcal{L} = 500\ \text{fb}^{-1}$的$e^+e^- \to t\bar{t}$事例进行建模。
• 事件在半轻衰变道$ t \to W^+b \to l^+ \nu_b \bar{b} $中选择，占$t\bar{t}$衰变的约43.4%。
• 通过提取截面和前后不对称性作为可观测量，以约束$t\bar{t}X$顶点形式因子。
• 使用矢量、轴矢量和张量形式因子$F_1^{X,V/A}$和$F_2^{X,V/A}$（$X = \gamma, Z^0$）对$t\bar{t}X$顶点进行参数化，以描述对标准模型的偏离。
• 利用束流极化（$P_{e^-} = +0.8$，$P_{e^+} = -0.3$）增强灵敏度并减少系统效应。
• 通过求解线性方程组提取形式因子和耦合，使用协方差矩阵量化不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 ILC能否实现对顶夸克与光子及$Z^0$玻色子电弱耦合的亚百分之一精度测量？
• RQ2 束流极化如何影响形式因子的提取以及系统误差的抑制？
• RQ3 ILC在多大程度上可通过顶夸克顶点测量区分各种新物理模型？
• RQ4 ILC在高亮度条件下对顶夸克耦合的敏感度与LHC相比如何？
• RQ5 在ILC上测量顶夸克形式因子时，主要的系统不确定性来源是什么？

主要发现

• 矢量和轴矢量耦合$F_1^{\gamma,V}$、$F_1^{Z,V}$和$F_1^{Z,A}$的不确定性分别为$\sim 0.5 \times 10^{-3}$、$\sim 0.8 \times 10^{-3}$和$\sim 2.3 \times 10^{-3}$。
• 张量耦合$F_2^{\gamma,V}$和$F_2^{Z,V}$的不确定性分别为$\sim 0.4 \times 10^{-3}$和$\sim 0.7 \times 10^{-3}$。
• 左手和右手耦合$g_L^\gamma$、$g_R^\gamma$、$g_L^Z$和$g_R^Z$的不确定性分别为$\sim 0.053$、$\sim 0.054$、$\sim 0.077$和$\sim 0.085$。
• 所达到的精度超过LHC在$\mathcal{L} = 3000\ \text{fb}^{-1}$下的预期，能够以高显著性区分大量新物理模型。
• 束流极化配置$P_{e^-} = +0.8$，$P_{e^+} = -0.3$可最小化极角谱中的迁移效应，并简化高阶修正。
• 为实现测量的全部潜力，系统不确定性必须控制在1%或更好水平，因为统计精度已不再是限制因素。