[论文解读] Elastic Potential: A proposal to discover elastic production of top quarks at the Large Hadron Collider

James William Howarth|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出在大型强子对撞机（LHC）上利用前向质子标记探测半弹性top夸克对产生过程，证明仅需300 pb⁻¹数据即可实现发现。此外，该方法可对flavor-changing neutral current（FCNC）top夸克衰变设定具有竞争力的限制，对$t \to u\gamma$和$t \to c\gamma$的限制相比现有世界极限最高可提升一个数量级。

ABSTRACT

In this letter, I present the motivation and an example analysis method for discovering the elastic production of top-quark pairs at the LHC using forward proton tags, including an overview of the current theoretical tools and experimental acceptance. I show that it is possible to discover the semi-elastic process with only 300 pb${^{-1}}$ of data but that the fully-elastic case is currently out of reach. I also illustrate how the use of forward proton tags can result in limits on the branching ratio for flavor changing neutral current decays of the top quark of the form $t\ ightarrow u\\gamma$ and $t\ ightarrow c\\gamma$ of $<0.39\\cdot10^{-5}$ and $<0.97\\cdot10^{-5}$, respectively, both of which would surpass the existing world limits by at least an order of magnitude.

研究动机与目标

• 探索在大型强子对撞机（LHC）上利用前向质子标记探测半弹性和完全弹性top夸克对产生过程的可行性。
• 评估前向质子标记事件对新物理的敏感度，特别是top夸克的flavor-changing neutral current（FCNC）衰变。
• 证明弹性top产生过程提供无背景的信号，使对稀有衰变的限制比传统搜索方法更简单、更灵敏。
• 量化与现有世界极限相比，弹性产生对$t \to u\gamma$和$t \to c\gamma$衰变的限制改善程度。
• 评估当前探测器（特别是带有AFP前向质子探测器的ATLAS）对观测这些过程的实验可达性。

提出的方法

• 利用等效光子近似（Equivalent Photon Approximation）模拟质子-质子碰撞中的光子通量，实现对$\gamma p \to t\bar{t}$和$\gamma\gamma \to t\bar{t}$过程的模拟。
• 在有效场论（EFT）框架下使用MadGraph5_aMC@NLO生成器模拟top夸克的产生与衰变，特别采用dim6top模型来描述$t \to u\gamma$和$t \to c\gamma$耦合。
• 通过ATLAS AFP探测器实现前向质子标记，识别质子在散射后仍保持完整的情况，从而区分弹性与半弹性过程。
• 采用截断计数分析策略，选择标准为：一个$p_T > 25$ GeV且$|\eta| < 2.5$的$b$-标签喷注，以及一个$p_T > 25$ GeV且$|\eta| < 2.5$的带电轻子（$e/\mu$）。
• 使用Pythia 8.2、SuperChic和FPMC生成器进行蒙特卡洛模拟，估算各种弹性与半弹性过程的截面。
• 通过外推预期的亮度（0.1、0.3和1.0 fb⁻¹），推导出对EFT耦合常数及相应分支比的预期限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在仅使用中等积分亮度的前向质子标记下，在大型强子对撞机（LHC）上发现半弹性top夸克对产生？
• RQ2 前向质子标记的top产生过程对$t \to u\gamma$和$t \to c\gamma$的flavor-changing neutral current衰变的敏感度如何？
• RQ3 与ATLAS和CMS现有的世界极限相比，弹性产生对$t \to u\gamma$和$t \to c\gamma$分支比的限制有何不同？
• RQ4 在不同积分亮度（0.1、0.3和1.0 fb⁻¹）下，这些稀有衰变的灵敏度预期将提升多少？
• RQ5 为何完全弹性过程$\mathds{P}\mathds{P} \to t\bar{t}$在低积压数据下仍无法实现，尽管理论上是可行的？

主要发现

• 仅需300 pb⁻¹数据即可发现半弹性过程$\gamma p \to t\bar{t}$，表明在中等亮度下具有极高灵敏度。
• 完全弹性过程$\mathds{P}\mathds{P} \to t\bar{t}$由于预测截面极小，在低积压数据下仍无法实现。
• 在1.0 fb⁻¹积分亮度下，$t \to u\gamma$分支比的限制可达到$<0.39 \times 10^{-5}$，相比现有世界极限至少提升一个数量级。
• 在1.0 fb⁻¹积分亮度下，$t \to c\gamma$分支比的限制可达到$<0.97 \times 10^{-5}$，同样比当前极限提升10倍。
• 在乐观情景下（1.0 fb⁻¹），$\text{BR}(t \to u\gamma)$的限制相比现有最佳世界极限改善了9倍。
• 本研究证明，弹性top产生过程提供无背景信号，使对稀有衰变的限制比依赖复杂多变量分析的传统搜索方法更简单、更强大。