[论文解读] Measuring anomalous $Wtb$ couplings at $e^-p$ collider

Sukanta Dutta, Ashok Goyal+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了大型强子电子对撞机（LHeC）在 $e^-p$ 碰撞中探测单顶夸克产生过程中异常 $Wtb$ 耦合的灵敏度。通过部分子层次蒙特卡罗模拟和对运动学可观测量的全面协方差矩阵分析，结果表明：在 95% 置信水平下，左手性矢量耦合可实现亚百分之一精度（$\sim10^{-3}$），而右手性及张量耦合的探测精度可达 $10^{-1}$ 至 $10^{-2}$ 水平，显著优于目前来自 LHC 和 $B$-物理实验的限制。

ABSTRACT

We study the accuracy with which the lowest order $CP$ conserving anomalous $Wtb$ couplings in the single top quark production at the proposed large hadron electron collider (LHeC) can be probed. The one dimensional distribution of various kinematic observables at the parton level MC and their asymmetries arising due to the presence of anomalous couplings both in the hadronic and leptonic $W$ decay is examined. \par We find that at 95 \% C.L. the anomalous coupling associated with the left handed vector current can be measured at an accuracy of the order of $\sim 10^{-2}-10^{-3}$, while those associated with the right handed vector and left as well as right handed tensor currents have sensitivity at the order of $\sim 10^{-1}-10^{-2}$ for the systematic uncertainty varying between 10\%-1\% at an integrated luminosity of 100 fb$^{-1}$. A comprehensive analysis of the combined covariance matrix derived from all one dimensional distributions of kinematical observables is used to compute the errors in anomalous couplings.

研究动机与目标

• 评估 LHeC 在 $e^-p$ 碰撞中探测单顶夸克产生过程中异常 $Wtb$ 耦合的灵敏度。
• 量化 LHeC 对 $CP$-守恒异常耦合（矢量与张量流）的测量精度。
• 将 LHeC 的预期限制与 LHC、电弱精确测量数据及 $B$-介子衰变的现有约束进行比较。
• 利用胶子与夸克衰变中强子和轻子 $W$ 衰变的运动学分布与不对称性，提取对异常耦合的敏感度。
• 通过所有一维运动学可观测量的联合协方差矩阵，提供稳健的误差估计。

提出的方法

• 在 LHeC 中模拟 $E_p = 7$ TeV 和 $E_e = 60$ GeV 条件下的 $e^-p$ 碰撞中单反顶夸克的产生。
• 采用部分子层次蒙特卡罗模拟生成末态粒子的运动学分布。
• 分析由于异常 $Wtb$ 耦合在产生与 $W$ 衰变顶点引起的这些分布中的不对称性。
• 从所有一维运动学可观测量构建联合协方差矩阵，以计算异常耦合的统计误差。
• 采用有效场论框架，将异常耦合 $f_i$ 与维度六算符 $O_{tW}$ 和 $O_{bW}$ 关联，将 $f_i$ 的限制转化为 $C_{tW}/\Lambda^2$ 的限制。
• 应用 95% 置信水平（C.L.）区间，推导异常耦合大小的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHeC 在 $e^-p$ 碰撞中探测单顶夸克产生过程中的异常 $Wtb$ 耦合的灵敏度如何？
• RQ2 强子与轻子 $W$ 衰变中的运动学分布与不对称性如何增强对异常耦合的敏感度？
• RQ3 在积分亮度为 100 fb$^{-1}$ 时，$f_1^L$、$f_1^R$、$f_2^L$ 和 $f_2^R$ 的 95% C.L. 上限预期为何？
• RQ4 LHeC 的限制与 LHC、$B$-物理及电弱精确测量数据的现有约束相比如何？
• RQ5 从 LHeC 测量中推导出的维度六算符系数 $C_{tW}/\Lambda^2$ 的对应限制为何？

主要发现

• 在 95% 置信水平下，左手性矢量流耦合 $f_1^L$ 的探测精度可达 $\sim10^{-3}$ 量级，系统误差为 1%。
• 右手性矢量耦合与左右手性张量耦合的限制在 $10^{-1}$ 至 $10^{-2}$ 水平之间，具体取决于系统误差和衰变模式。
• 对于强子 $W$ 衰变模式，$|f_2^R|$ 的上限为 $\sim0.011$；对于轻子模式，上限为 $\sim0.01$，均在 95% 置信水平下。
• LHeC 可将维度六算符系数 $|C_{tW}/\Lambda^2|$ 的限制提升至 $\leq0.13$ TeV$^{-2}$，优于当前 LHC 的限制。
• LHeC 的预期灵敏度超过来自 $B$-介子衰变和电弱精确测量的现有限制，尤其对 $f_2^L$，精度可达 $\sim10^{-2}$。
• 与 LHC 相比，LHeC 显著提升了测量精度，对 $f_1^L$ 的灵敏度达 $10^{-3}$ 量级，对其他耦合为 $10^{-2}$ 量级，尤其在低系统误差（$\leq1\%$）条件下表现更优。