[论文解读] Asymmetric Leptons for Asymmetric Tops

Arvind Rajaraman, Ze’ev Surujon+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出利用顶夸克对产生中的单轻子电荷不对称性，作为探测预测存在同号顶夸克的新物理模型（如具有味非对角耦合的 $Z^\prime$ 模型）的敏感探针。研究表明，利用现有的 LHC 数据，该方法可检测标准模型的偏离，即使在 35 pb$^{-1}$ 的数据下也能排除或发现参数空间中的显著区域，并在 1 fb$^{-1}$ 数据下达到 5σ 显著性。

ABSTRACT

We propose an efficient method to explore models which which produce like-sign tops at the LHC, using the total charge asymmetry of single lepton events instead of like-sign dileptons. As an example, the method is implemented on a Z' Model, which can explain the top pair forward-backward asymmetry at Tevatron. We show that a large region of the parameter space of this model can be reached using the existing data set at the LHC.

研究动机与目标

• 开发一种更高效的 LHC 同号顶夸克产生搜索策略，该过程是标准模型之外新物理的强烈信号。
• 解决传统同号轻子搜索中统计功效有限的问题，后者依赖于顶夸克衰变中两个轻子的分支比约 5% 的低分支比。
• 利用单轻子事例的更高效率——其中一个顶夸克发生轻子衰变，另一个发生强子衰变，分支比达 30%——从而在数据有限的情况下提升灵敏度。
• 提供一种与传统同号顶夸克搜索互补的可观测量，具有不同的系统误差，并降低对喷注误判为轻子背景的敏感性。
• 利用 LHC 更高的能量和更大的数据量，检验能够解释 Tevatron 观测到的顶夸克前后向不对称性的 $Z^\prime$ 模型的可行性。

提出的方法

• 该方法测量单轻子事例中的电荷不对称性，定义为 $\mathcal{A}_{1\ell} = \frac{N(\text{顶夸克对} \to 1\ell^+) - N(\text{顶夸克对} \to 1\ell^-)}{N(\text{顶夸克对} \to 1\ell^+) + N(\text{顶夸克对} \to 1\ell^-)}$，其中轻子电荷用于识别顶夸克的符号。
• 通过剔除含有两个或更多孤立轻子的事件，以隔离单轻子末态，聚焦于仅一个顶夸克发生轻子衰变的顶夸克对事例。
• 分析采用 $\sqrt{s} = 7$ TeV 下的 $\mu + \geq 4j$（b 重打标签）通道，选择包含单个孤立缪子、缺失横向动量以及至少四个喷注（含 b 喷注）的事件。
• 通过公式 $s = \frac{\sigma_{\text{eff}}[tt]}{\sqrt{\delta_{\text{stat}}^2(\Delta N) + \delta_{\text{sys}}^2(\Delta N)}}$ 计算信号的显著性，其中 $\Delta N$ 为正负轻子计数之差。
• 系统误差来自 $W$+喷注和单顶夸克背景，估计为 $\delta_{\text{sys}}(\Delta N) \approx 0.185 \times (L/{\rm pb}^{-1})$，统计误差来自总 SM 背景的 $6.31 \times (L/{\rm pb}^{-1})$。
• 通过改变 $m_{Z^\prime}$ 和 $\alpha_X$ 对 $Z^\prime$ 模型进行模拟，以预测 $\mathcal{A}_{1\ell}$，并在参数空间中绘制显著性轮廓。

实验结果

研究问题

• RQ1 单轻子电荷不对称性是否可作为比传统双轻子搜索更有效、更灵敏的同号顶夸克产生探测手段？
• RQ2 利用该方法，当前 LHC 数据可探测多少比例的、能解释 Tevatron 顶夸克前后向不对称性的 $Z^\prime$ 模型参数空间？
• RQ3 信号显著性如何随积分亮度变化？在何种亮度下，$Z^\prime$ 参数空间中的关键点可被发现或排除？
• RQ4 与传统同号顶夸克搜索相比，该方法在背景系统误差和误判轻子喷注抑制方面表现如何？
• RQ5 单轻子电荷不对称性对顶夸克对产生中新的物理（特别是具有味非对角耦合的模型）的预期灵敏度如何？

主要发现

• 在 35 pb$^{-1}$ 数据下，该方法已能约束与 Tevatron 前后向不对称性一致的 $Z^\prime$ 模型参数空间的显著部分，假设标准模型预期的不对称性为零。
• 在 50 pb$^{-1}$ 数据下，若实测不对称性与标准模型一致，则 $m_{Z^\prime} = 160$ GeV 且 $\alpha_X = 0.024$ 的模型点可于 95% 置信水平下被排除。
• 在 1 fb$^{-1}$ 数据下，同一模型点可达到 5σ 显著性水平被发现。
• 该方法比传统同号双轻子搜索更高效，可捕捉约 30% 的同号顶夸克事例，远高于双轻子分支比约 5% 的水平。
• 单轻子电荷不对称性对喷注误判为轻子的背景不敏感，因为此类误判在正负电荷中预计大致均匀分布。
• 该技术为传统同号顶夸克搜索提供了互补手段，具有不同的系统误差，并在早期数据阶段展现出更高的灵敏度。