[论文解读] A precise determination of top quark electro-weak couplings at the ILC operating at $ oots=500\,\GeV$

Mohammad Sohail Amjad, M. Boronat+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 31被引用 34

一句话总结

本文提出在国际线性对撞机（ILC）以 √s = 500 GeV 运行，并利用极化 e⁺e⁻ 束流，对顶夸克的电弱耦合进行高精度测量。在 500 fb⁻¹ 的亮度和半轻衰变 t¯t 事例选择条件下，研究实现了小于百分之一的截面精度、2% 的前后向不对称性分辨率以及 4% 的螺旋度斜率测量，使得对标准模型之外的新物理的敏感度至少比大型强子对撞机（LHC）高出一个数量级。

ABSTRACT

Top quark production in the process $e^+e^- ightarrow t\bar{t}$ at a future linear electron positron collider with polarised beams is a powerful tool to determine indirectly the scale of new physics. The presented study, based on a detailed simulation of the ILD detector concept, assumes a centre-of-mass energy of $ oots=500$\,GeV and a luminosity of $\mathcal{L}=500\,\invfb$ equality shared between the incoming beam polarisations of $P_{e^{-,+}} =\pm0.8,\mp0.3$. Events are selected in which the top pair decays semi-leptonically. The study comprises the cross sections, the forward-backward asymmetry and the slope of the helicity angle asymmetry. The vector, axial vector and tensorial CP conserving couplings are separately determined for the photon and the $Z^0$ component. The sensitivity to new physics would be dramatically improved with respect to what is expected from LHC for electroweak couplings.

研究动机与目标

• 在未来的 e⁺e⁻ 直线对撞机上以高精度测定顶夸克电弱耦合。
• 利用极化束流和干净的 t¯t 产生过程，区分顶夸克对光子和 Z⁰ 玻色子的矢量、轴矢量和张量耦合。
• 通过比 LHC 可实现的更高精度测量形式因子，提升对标准模型之外新物理的敏感度。
• 验证 ILC 作为顶夸克相互作用和费米尺度新物理的高精度探测器的潜力。

提出的方法

• 使用 ILD 探测器概念，在 √s = 500 GeV 条件下模拟 t¯t 产生过程，亮度为 500 fb⁻¹，电子束极化度为 Pₑ⁻ = ±0.8，正电子束极化度为 Pₑ⁺ = ∓0.3。
• 分析包括 τ 末态在内的半轻衰变道，选择效率为 55%，以分离 t¯t 事例。
• 将截面、前后向不对称性 A_FB^t 以及螺旋度角分布的斜率作为关键可观测量进行测量。
• 将螺旋度角分布的斜率作为新且稳健的可观测量，用于确定左旋与右旋顶夸克的成分比例。
• 采用基于式 (2) 中当前顶点算符的参数化形式，对 t¯tX 顶点使用形式因子 F₁ᵥ, F₁ₐ, F₂ᵥ, F₂ₐ 表示光子和 Z⁰ 玻色子的耦合。
• 在仅考虑统计误差的假设下，通过独立改变形式因子，开展统计敏感度研究，以评估对新物理的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 500 GeV 条件下，ILC 能否利用半轻衰变实现对顶夸克对产生截面的亚百分之一精度测量？
• RQ2 ILC 中的极化束流在多大程度上能够区分顶夸克对光子和 Z⁰ 玻色子的各个电弱耦合？
• RQ3 与传统不对称性相比，螺旋度角分布斜率这一可观测量如何提升顶夸克螺旋度测量的鲁棒性？
• RQ4 与 LHC 相比，ILC 通过顶夸克的矢量、轴矢量和张量形式因子的偏离，对新物理的敏感度如何？
• RQ5 ILC 能否实现对顶夸克异常磁偶极矩和电偶极矩的敏感度，超过 LHC 超过一个数量级？

主要发现

• 在半轻衰变道中，顶夸克对产生截面的统计精度可达到约 0.5%。
• 在考虑束流极化引起的迁移效应校正后，前后向不对称性 A_FB^t 的测量精度优于 2%。
• 螺旋度角分布斜率的测量精度约为 4%，为顶夸克螺旋度组成提供了稳健的探测手段。
• ILC 对形式因子 F̃₂ₐ^γ、F̃₂ₐ^Z 和 F̃₂ᵥ^γ 实部与虚部的敏感度，比 LHC 在 300 fb⁻¹ 亮度下预期的敏感度高出一个数量级以上。
• 对顶夸克电偶极矩和磁偶极矩形式因子 F̃₂ₐ^γ 和 F̃₂ₐ^Z 的敏感度，相比 LHC 结果至少提高了 10 倍。
• 本研究证明，ILC 可以以高精度探测额外维度和复合结构等新物理模型，为强子对撞机提供独特且互补的探测途径。