[논문 리뷰] Same sign top-pairs in a non-universal Z' model at the LHC

Sudhir Kumar Gupta|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 비일관된 $Z^{\backprime}$ 모델의 맛을 변화시키는 $Z^{\backprime}$ 보손을 통한 동일 전하의 토크 쿼크 쌍 생성을 다루며, 동일 전하의 이론 레프톤 끝 상태를 사용한다. $M_{T_2}$ 보조 온셸프 재구성과 각도 분포를 통해 토크 질량과 $Z^{\backprime}$ 스핀 측정이 가능하며, 14 TeV에서 10 fb$^{-1}$ 루미노시티 조건에서 LHC 감도가 $g_X \sim 5 \times 10^{-3}$에 도달함을 보여주며, $Z^{\backprime}$ 결합에 대한 직접적 탐색을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We analyse same sign dilepton signatures in a non-universal flavor changing Z' model. These arise due to tt (or t_bar t_bar) production processes due to the semi-leptonic decays of (anti)tops. We also discuss top reconstruction and spin measurement using the variable MT2 and MT2-Assisted On-Shell (MAOS) Momentum} techniques and will also provide a comparison with the on-shell mass relation method. Sensitivities to the flavor-changing top coupling has also been estimated for different LHC energies and projected LHC luminosities corresponding to them.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 비일관된 $Z^\prime$ 모델의 맛을 변화시키는 $Z^\prime$ 보손을 통한 동일 전하의 토크 쿼크 쌍 생성을 연구한다.
• $M_{T_2}$와 MAOS 기법을 사용한 토크 쿼크 재구성 및 스핀 측정의 가능성 평가.
• 다양한 중심 질량 에너지와 루미노시티 조건에서 $Z^\prime$-토크 쿼크 결합 $g_X$에 대한 LHC 감도 추정.
• $R_t = \sigma_{\bar{t}\bar{t}} / \sigma_{tt}$ 비율이 결합 강도에 영향을 받지 않고 $Z^\prime$ 질량을 탐색하는 데 기여하는지 탐색.

제안 방법

• 우측 편의 $Z^\prime$ 결합이 토크 및 업 쿼크에 대해 $3\times3$ 결합 행렬을 통해 모델링되며, $\eta_{31} \neq 0$.
• CTEQ6L1 파arton 분포 함수와 $\mu_R = \mu_F = \sqrt{\hat{s}}$를 사용하여 $tt + \bar{t}\bar{t}$ 생성의 총 단면적 계산.
• 동일 전하의 이론 레프톤 끝 상태에서 $M_{T_2}$와 MAOS 운동량 기법을 사용해 토크 쿼크 질량 재구성.
• 파트론 중심 질량 프레임에서 토크 쿼크의 각도 분포를 사용해 $Z^\prime$ 보손의 스핀과 헬리시티 탐색.
• 최소 5개의 신호 사건이 루미노시티 포인트당 필요하다는 조건 하에 LHC 감도 추정. $\sqrt{S} = 7, 10, 14$ TeV 및 $\mathcal{L} = 10$ fb$^{-1}$ 조건에서 예측.
• Cross-section을 약 20% 상향 조정하기 위해 NNLO-NLL QCD K-요인 (Kidonakis:2003sc) 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 $tt$ 및 $\bar{t}\bar{t}$ 생성의 동일 전하의 이론 레프톤 서명이 토크 쿼크에 대한 맛을 변화시키는 $Z^\prime$ 결합을 탐색할 수 있는가?
• RQ2 $M_{T_2}$와 MAOS 기법이 이 $Z^\prime$-중재 과정에서 토크 쿼크 질량 재구성에 얼마나 효과적인가?
• RQ3 tt 중심 질량 프레임에서 토크 쿼크의 각도 분포가 $Z^\prime$ 보손의 스핀과 헬리시티를 구분하는 데 도움이 되는가?
• RQ4 다양한 에너지 및 루미노시티 조건에서 LHC가 탐색할 수 있는 최소 $Z^\prime$-톱 결합 $g_X$는 얼마인가?
• RQ5 $R_t = \sigma_{\bar{t}\bar{t}} / \sigma_{tt}$ 비율이 $Z^\prime$ 질량 탐색에 있어 결합 강도 및 QCD 보정에 영향을 받지 않는가?

주요 결과

• $M_{T_2}$ 보조 온셸프 재구성(MAOS) 기법은 온셸프 질량 관계 기법과 유사한 정확도로 토크 쿼크 질량을 재구성하지만, 정보가 더 적게 필요한 점에서 $M_{T_2}$가 略적으로 더 우수하다.
• $R_t = \sigma_{\bar{t}\bar{t}} / \sigma_{tt}$ 비율은 $Z^\prime$ 결합 $g_X$ 및 QCD/EW 보정에 영향을 받지 않으며, 이는 LHC에서 $m_{Z^\prime}$ 탐색에 강력한 수단이 된다.
• tt 중심 질량 프레임에서 토크 쿼크의 각도 분포는 $m_{Z^\prime}$ 증가에 따라 감소하는 딤프를 보이며, 이는 $Z^\prime$ 질량 식별과 그 벡터 성질 확인에 도움이 된다.
• 14 TeV에서 $\mathcal{L} = 10$ fb$^{-1}$ 조건에서 LHC는 $g_X \sim 5 \times 10^{-3}$까지의 $Z^\prime$-톱 결합을 탐색할 수 있으며, 감도는 $1/\sqrt{\mathcal{L}}$ 비례로 향상된다.
• NNLO-NLL QCD K-요인을 포함하면 단면적이 약 20% 증가하여, 주어진 $m_{Z^\prime}$ 조건에서 최소로 접근 가능한 $g_X$가 약 1.1배 감소한다.
• 동일 전하의 이론 레프톤 신호는 $m_{Z^\prime} = 300$ GeV일 때 $g_X \sim 0.01$에서, $m_{Z^\prime} = 1.2$ TeV일 때 $g_X \sim 0.2$에서 유지되며, LHC에서 검출 가능한 비율을 보인다.