[论文解读] Study of Top-Quark Production and Decays involving a Tau Lepton at CDF and Limits on a Charged-Higgs Boson Contribution

CDF Collaboration, T. Aaltonen+407 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本CDF研究基于9 fb⁻¹的数据，分析了顶夸克对产生及涉及τ轻子的衰变过程，采用包含单τ和双τ成分的似然函数拟合，测得分支分支比𝒫(t→τνb) = 9.6 ± 2.8%，在不确定度范围内确认了轻子味不变性。该研究在95%置信水平下对顶夸克衰变为带电Higgs玻色子与底夸克的分支比设定了5.9%的上限，与LHC的约束结果一致。

ABSTRACT

We present an analysis of top-antitop quark production and decay into a tau lepton, tau neutrino, and bottom quark using data from $9 { m fb}^{-1}$ of integrated luminosity at the Collider Detector at Fermilab. Dilepton events, where one lepton is an energetic electron or muon and the other a hadronically-decaying tau lepton, originating from proton-antiproton collisions at $\sqrt{s} = 1.96 TeV$ are used. A top-antitop quark production cross section of $8.1 \pm 2.1 { m pb}$ is measured, assuming standard-model top-quark decays. By separately identifying for the first time the single-tau and the ditau components, we measure the branching fraction of the top quark into tau lepton, tau neutrino, and bottom quark to be $(9.6 \pm 2.8) %$. The branching fraction of top-quark decays into a charged Higgs boson and a bottom quark, which would imply violation of lepton universality, is limited to be less than $5.9%$ at $95%$ confidence level.

研究动机与目标

• 利用CDF的双轻子t¯t事例测量顶夸克衰变为τ轻子、τ中微子与底夸克的分支比。
• 通过将τ模式的分支比与电子和μ子模式的平均值进行比较，检验顶夸克衰变中的轻子味不变性。
• 在假设H⁻→τν衰变为完全分支的前提下，对顶夸克衰变为带电Higgs玻色子与底夸克的分支比设定一个模型无关的上限。
• 通过在拟合中引入CDF单轻子通道t¯t截面测量结果作为约束，提升分支比测定的灵敏度。

提出的方法

• 对t¯t事例的不变质量分布进行分箱似然拟合，区分单τ和双τ末态。
• 拟合中包含顶夸克衰变为τνb（分支比线性依赖）、Drell-Yan过程、二规范玻色子产生以及喷流误判为τ轻子的成分。
• 系统误差通过多余参数建模，其中最大的误差来源为喷流误判为τ轻子的概率。
• 在χ²拟合中引入CDF单轻子t¯t截面测量结果（topsinglelep）作为约束，以提高分支比测定的精度。
• 采用似然比方法为t→H⁺b的分支比设定95%置信水平的上限。
• 分析假设H⁻→τν的分支比为100%，并基于先前的CDF结果，假设H⁺与W玻色子在τ道衰变中的接受度相同。

实验结果

研究问题

• RQ1 顶夸克衰变为τ轻子、τ中微子与底夸克的分支比测量结果是多少？
• RQ2 与t→eνb和t→μνb相比，t→τνb的分支比测量结果是否与轻子味不变性一致？
• RQ3 在95%置信水平下，顶夸克衰变为带电Higgs玻色子与底夸克的分支比上限是多少？
• RQ4 引入单轻子t¯t截面测量结果如何提升分支比测定的精度？
• RQ5 本结果与之前及当前LHC对t→H⁺b的约束相比如何？

主要发现

• 顶夸克衰变为τ轻子、τ中微子与底夸克的分支比测量结果为𝒫(t→τνb) = 9.6 ± 2.8%。
• 分支比𝒫(t→τνb)与𝒫(t→eνb)和𝒫(t→μνb)平均值的比值为0.88 ± 0.26，与轻子味不变性一致。
• 基于似然比方法，在95%置信水平下，该分析排除了t→τνb分支比为15.8%或更高的可能性。
• 在假设𝒫(H⁻→τν) = 1的前提下，t→H⁺b的分支比上限在95%置信水平下被设定为5.9%。
• 该结果与近期ATLAS和CMS在LHC上的结果一致，后者将𝒫(t→H⁺b)限制在𝒫(H⁻→τν) = 1时小于0.01–0.05之间。
• 喷流误判为τ轻子带来的系统误差对似然函数形状的影响可忽略不计，验证了拟合结果的稳健性。