[论文解读] Binned top quark spin correlation and polarization observables for the LHC at 13.6 TeV

W. Bernreuther, Long Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文计算了在 √s = 13.6 TeV 的 LHC 上 t¯t 产生过程中顶夸克自旋关联与极化可观测量的下一阶修正 QCD 和电弱修正，包括在 (Mt¯t, cos θ∗t) 相空间内的详细分箱分析。通过维度六有效场论计算了标准模型预测与新物理效应，识别出对异常耦合（如胶电偶极矩与胶磁偶极矩）高度敏感的区域。

ABSTRACT

We consider top-antitop quark $(t{\bar t})$ production at the Large Hadron Collider (LHC) with subsequent decays into dileptonic final states. We use and investigate a set of leptonic angular correlations and distributions with which all the independent coefficient functions of the top-spin dependent parts of the $t{\bar t}$ production spin density matrices can be experimentally probed. We compute these observables for the LHC center-of-mass energy 13.6 TeV within the Standard Model at next-to-leading order in the QCD coupling including the mixed QCD-weak corrections. We determine also the $t{\bar t}$ charge asymmetry where we take in addition also the mixed QCD-QED corrections into account. In addition we analyze and compute possible new physics (NP) effects on these observables in terms of a gauge-invariant effective Lagrangian that contains the operators up to mass dimension six that are relevant for hadronic $(t{\bar t})$ production. First we compute our observables inclusive in phase space. In order to investigate which region in phase space has, for a specific observable, a high NP sensitivity, we determine our observables also in two-dimensional $(M_{t{\bar t}},\cosθ_t^*)$ bins, where $M_{t{\bar t}}$ denotes the $t{\bar t}$ invariant mass and $θ_t^*$ is the top-quark scattering angle in the $t{\bar t}$ zero-momentum frame.

研究动机与目标

• 在标准模型下计算 13.6 TeV LHC 上 t¯t 产生过程中顶夸克自旋关联与极化可观测量的 NLO QCD 修正，并包含电弱修正。
• 将分析扩展至包含 t¯t 电荷不对称性 AC 的 QCD-弱与 QCD-QED 混合修正。
• 通过包含与 t¯t 产生相关的维度六算符的规范不变有效拉格朗日量，研究新物理效应。
• 通过在 (Mt¯t, cos θ∗t) 相空间中对可观测量进行分箱，识别对特定异常耦合具有高敏感性的相空间区域。
• 为未来实验比较（特别是 CMS 与 ATLAS 分析）提供一套全面的 SM 与 NP 预测。

提出的方法

• 采用自旋密度矩阵形式描述 t¯t 产生及其衰变为二轻子末态，包括壳上顶夸克与窄宽度近似。
• 基于衰变轻子的角关联计算可观测量，并投影至 t¯t 产生自旋密度矩阵的独立系数。
• 使用包含完整自旋与色荷结构的固定阶 QCD 计算，执行 NLO QCD 与弱相互作用修正。
• 对 t¯t 电荷不对称性 AC 包含 QCD-弱与 QCD-QED 混合修正。
• 通过维度六有效场论（EFT）拉格朗日量建模新物理效应，重点关注涉及顶夸克胶磁偶极矩、胶电偶极矩与偶极矩的算符。
• 在二维 (Mt¯t, cos θ∗t) 相空间区域中执行分箱分析，以分离对特定异常耦合高度敏感的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 (Mt¯t, cos θ∗t) 相空间中，哪些区域对顶夸克自旋可观测量中的新物理效应表现出最高敏感性？
• RQ2 NLO QCD 与弱修正如何改变顶夸克自旋关联与极化 SM 预测？
• RQ3 特定异常耦合（如 ˆc1, ˆµt, ˆcV V, ˆdt, ˆcAA, ˆc2, ˆcAV）对自旋可观测量微分分布的贡献是什么？
• RQ4 QCD-弱与 QCD-QED 混合修正如何影响 13.6 TeV 下的 t¯t 电荷不对称性 AC？
• RQ5 分箱可观测量在多大程度上能够区分顶夸克 sector 中不同类型的新物理？

主要发现

• 在 √s = 13.6 TeV 下，t¯t 电荷不对称性 AC 通过 NLO QCD 与混合 QCD-QED 修正计算，结果约为 -0.005。
• 通过 ˆc1 对 C(k,k) 分子的 NP 贡献在 µ = 2mt 时，于 (600 GeV, 800 GeV) 区间达到 -3.126 pb，表明该区域具有强烈敏感性。
• 通过 ˆµt 对 C(r,k) + C(k,r) 的最大 NP 贡献出现在 (600 GeV, 800 GeV) 区间，达到 -14.508 pb，表明对顶夸克胶磁偶极矩具有高敏感性。
• 通过 ˆcAV 对 B1(k*) + B2(k*) 的 NP 贡献在 >800 GeV 区间达到 42.620 pb，表明在高能区对 CP 奇耦合具有强烈敏感性。
• 在 (Mt¯t, cos θ∗t) 中的分箱分析显示，对 ˆdt（胶电偶极矩）的最高敏感性出现在 (450 GeV, 600 GeV) 与 (600 GeV, 800 GeV) 质量区间，贡献高达 -196.175 pb。
• 通过 ˆdt 对 C(n,r) - C(r,n) 的 NP 贡献在 2mt < Mt¯t < 450 GeV 且 cos θ∗t ∈ (-1.0, -0.5) 区间达到 -184.656 pb，凸显了在前后向角区域对 CP 奇相互作用的敏感性。