[论文解读] Dynamical Origin of the Correlation between the Asymmetries $A_{FB}^t$ and $A_{FB}^{\ell}$

Edmond L. Berger, Qing-Hong Cao+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了在费米实验室的 t\bar{t} 事例中观测到的顶夸克正向-反向不对称性 $A_{FB}^t$ 与带电轻子不对称性 $A_{FB}^\tau$ 之间相关性的动力学起源。结果表明，这种强烈相关性源于顶夸克衰变中的自旋关联，其中右旋顶夸克倾向于使其衰变产生的轻子向与顶夸克运动方向相同的侧发射。关键结果是，产生更多右旋顶夸克而非左旋顶夸克的模型——特别是 $W^\prime$ 模型——最能解释数据，其关系式 $A_{FB}^\ell \simeq 0.75 \times A_{FB}^t - 2.1\%$ 在 1σ 范围内符合 D0 实验测量结果。

ABSTRACT

A larger than expected forward-backward asymmetry in rapidity is observed in top quark pairs produced in proton-antiproton collisions at the Tevatron. The asymmetry is seen in both the top quark distribution $A_{FB}^t$ and in the distribution of charged leptons $A_{FB}^\ell$ from top quark decay. In this paper, we study the kinematic and dynamic aspects of the tight relationship of the two observables arising from the spin correlation between the charged lepton and the top quark with different polarization states. We also consider two benchmark new physics models, an axigluon model and a flavor-changing $W^\prime$ model. These models could explain the values of both $A_{FB}^t$ and $A_{FB}^\ell$. We emphasize the value of both measurements, and we conclude that a model which produces more right-handed than left-handed top quarks is favored by the present data.

研究动机与目标

• 理解在费米实验室的 $t\bar{t}$ 事例中观测到的 $A_{FB}^t$ 与 $A_{FB}^\ell$ 之间相关性的运动学与动力学起源。
• 评估顶夸克极化，特别是右旋与左旋态，对实验室参考系中轻子不对称性 $A_{FB}^\ell$ 的影响。
• 评估基准新物理模型——轴向胶子 ($G^\prime$) 与味改变的 $W^\prime$——在同时符合 $A_{FB}^t$ 与 $A_{FB}^\ell$ 数据方面的自洽性。
• 确定比值 $A_{FB}^\ell / A_{FB}^t$ 是否可作为探测底层顶夸克产生动力学的敏感探针。
• 确立同时测量 $A_{FB}^t$ 与 $A_{FB}^\ell$ 对约束新物理模型的价值。

提出的方法

• 使用自旋依赖的衰变分布 $\frac{1}{\Gamma}\frac{d\Gamma}{d\cos\theta_{\rm hel}} = \frac{1 + \lambda_t \cos\theta_{\rm hel}}{2}$ 建模顶夸克静止参考系中的轻子发射，其中 $\lambda_t = \pm1$ 表示顶夸克螺旋度。
• 应用洛伦兹提升，将轻子角分布从顶夸克静止参考系变换到实验室参考系，考虑顶夸克在快速度与横动量方向上的提升效应。
• 基于运动学与极化效应，分别推导出左旋与右旋顶夸克分量下 $A_{FB}^\ell$ 关于 $A_{FB}^t$ 的解析表达式。
• 将轴向胶子 ($G^\prime$) 与 $W^\prime$ 模型的预测与 $A_{FB}^t$ 及 $A_{FB}^\ell$ 数据进行比较，对模型参数施加约束，使其符合 $t\bar{t}$ 总截面与 1σ 范围内的 $A_{FB}^t$。
• 使用函数形式 $A_{FB}^\ell \simeq 0.47 \times A_{FB}^t + 0.25\%$（对应 $G^\prime$ 模型）与 $A_{FB}^\ell \simeq 0.75 \times A_{FB}^t - 2.1\%$（对应 $W^\prime$ 模型）拟合 $A_{FB}^t$ 与 $A_{FB}^\ell$ 之间的相关性。
• 以 D0 实验测量的 $A_{FB}^\ell = 15.2 \pm 4.0\%$ 为基准，评估模型的可行性并推断顶夸克极化偏好。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $t\bar{t}$ 事例中，观测到的 $A_{FB}^t$ 与 $A_{FB}^\ell$ 之间相关性的动力学起源是什么？
• RQ2 顶夸克极化——特别是右旋与左旋态——如何决定实验室参考系中轻子不对称性 $A_{FB}^\ell$？
• RQ3 $W^\prime$ 与轴向胶子模型能否在实验不确定度范围内同时解释 $A_{FB}^t$ 与 $A_{FB}^\ell$？
• RQ4 $A_{FB}^t$ 与 $A_{FB}^\ell$ 的测量对右旋与左旋顶夸克产生率施加了何种约束？
• RQ5 顶夸克提升效应如何影响不同极化态下 $A_{FB}^t$ 与 $A_{FB}^\ell$ 之间的关系？

主要发现

• $A_{FB}^t$ 与 $A_{FB}^\ell$ 之间的相关性主要由顶夸克衰变中的自旋关联驱动，其中右旋顶夸克导致两个不对称性之间呈现强烈的正相关。
• 对于高度提升的顶夸克，无论左旋还是右旋顶夸克均可产生较大的 $A_{FB}^\ell$；但对于低能（阈值）事例，当 $A_{FB}^t > 0$ 时，左旋顶夸克产生的 $A_{FB}^\ell$ 小于 $A_{FB}^t$ 的一半。
• $W^\prime$ 模型（主要产生右旋顶夸克）预测的关联关系为 $A_{FB}^\ell \simeq 0.75 \times A_{FB}^t - 2.1\%$，当 $M_{W^\prime} \lesssim 600$ GeV 时，该关系在 1σ 范围内符合 D0 实验数据。
• 轴向胶子模型（产生非极化的顶夸克）预测 $A_{FB}^\ell \simeq 0.47 \times A_{FB}^t + 0.25\%$，需通过重 $G^\prime$ 玻色子（$M_{G^\prime} > 1$ TeV）才能在 1σ 范围内符合数据。
• 观测到的 $A_{FB}^\ell = 15.2 \pm 4.0\%$ 比标准模型预测高出约 3σ，数据更支持增强右旋顶夸克产生的模型。
• 比值 $A_{FB}^\ell / A_{FB}^t$ 是探测顶夸克极化的有力探针，$W^\prime$ 模型预测该比值接近 62%，而标准模型预测约为 40%，与 D0 测量结果一致。