[论文解读] Analysis of the top-quark charged-current coupling at the LHeC

I. A. Sarmiento Alvarado, Antonio O. Bouzas+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文評估了大型強子電子對撞機（LHeC）作為頂夸克帶電流耦合的精密探針，利用單態反頂夸克產生過程。結果顯示，與高亮度大型強子對撞機（HL-LHC）相比，LHeC在探測異常 $V_{tb}$ 耦合及四費米子接觸相互作用方面具有競爭力，甚至在某些情況下更優異，特別是在左旋矢量與張量耦合方面；在強子末態中，動力學非對稱性顯著提升了對某些算符的敏感度。

ABSTRACT

In the context of $SU(2)_L imes U(1)$ dimension six operators we study the potential of the LHeC to provide information on top quark effective interactions. We focus on single antitop production and how it is affected not only by the effective $tbW$ coupling but also by four-fermion operators. Compared to the LHC, the LHeC provides a cleaner environment to make a precise measurement of the top quark production cross section. Therefore, this machine would give a much better assesment of $V_{tb}$ in the context of the SM or $V_L$ in the context of higher dimension operators. The LHeC could also give a slightly better measurement for $V_R$. For $g_R$ the HL-LHC precise measurements of $F_L$ and $F_R$ (the $W$-boson helicity decay ratios of top) would yield better constraints than those obtained by the LHeC. Lepton-quark contact interactions would also be significantly better probed by the LHeC, since the only way of measuring them at the LHC would be through leptonic top decay which is hardly sensitive to these interactions.

研究动机与目标

• 評估LHeC對涉及頂夸克的六維 $SU(2)_L \times U(1)$ 觀測不變算符（包括 $tbW$ 耦合與四費米子接觸相互作用）的敏感度。
• 比較LHeC與HL-LHC在利用單態反頂夸克產生過程約束有效頂夸克耦合方面的潛力。
• 評估電子束能量（$E_e = 60, 140, 300$ GeV）與極化對異常耦合敏感度的影響。
• 識別動力學觀測量（特別是對稱性）如何在輕子末態與強子末態中超越截面測量提升敏感度。

提出的方法

• 在LHeC中對 $ep$ 碰撞下單態反頂夸克產生進行領先階部分子級分析，電子束能量分別為 $E_e = 60$、140 和 300 GeV。
• 納入31個獨立的六維算符，包括四個外線上 $tbW$ 耦合與四個輕子-夸克接觸相互作用。
• 基於標準模型背景研究估算實驗不確定性，誤差假設源自對信號與背景過程的詳細模擬。
• 利用截面與22個動力學對稱性（強子模式）及6個動力學對稱性（輕子模式）來提取有效耦合的約束。
• 透過基於 $W$ 玻色子螺旋態分數與截面測量的簡化估計，比較與HL-LHC的敏感度。
• 納入電子束極化效應，特別是對涉及右旋電子耦合的情況。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHeC對異常 $V_{tb}$ 耦合的敏感度與HL-LHC相比如何？
• RQ2 在強子末態中，動力學對稱性在多大程度上能超越截面測量提升對有效耦合的約束？
• RQ3 電子束能量與極化如何影響對特定異常耦合（特別是 $C_{2,3,4}$）的敏感度？
• RQ4 LHeC能否提供LHC難以探測的四費米子接觸相互作用的獨特約束？
• RQ5 與HL-LHC相比，LHeC在探測 $V_L$、$V_R$、$g_L$、$g_R$ 與 $C_i$ 耦合方面的相對表現如何？

主要发现

• 在輕子末態中，LHeC的截面測量精度達約3%，在強子末態中約6%，且實驗誤差在電子束極化低於90%時幾乎不受影響。
• 對於 $V_L$，LHeC提供的約束遠比HL-LHC緊密，且截面測量提供了最緊的約束。
• 儘管強子末態較為雜亂，但其動力學對稱性能夠提供與輕子末態相近的 $g_R^r$ 與 $C_3^r, C_4^r$ 約束，且實驗誤差僅為一半。
• 對於 $C_1$，LHeC的約束精度約為HL-LHC的兩倍，顯示對此接觸相互作用具有更優異的敏感度。
• 右旋電子極化可提升對 $C_{2,3,4}$ 的敏感度，特別是 $C_2$，其中 $\Delta\eta(\bar{b},\ell)$ 的對稱性可使約束幾乎達到僅使用截面時的兩倍緊密。
• LHeC對涉及第三代夸克與第一代輕子的四費米子接觸相互作用提供了獨特且具競爭力的敏感度，而這些相互作用在LHC中難以探測。