[论文解读] Experimental Studies of Top Quark Production

J. Wagner-Kuhr|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 187被引用 3

一句话总结

本综述综合了LHC和Tevatron上顶夸克产生过程的实验研究，重点聚焦于t\bar{t}产生中的电荷不对称性、共振t\bar{t}态的搜索以及t通道单顶夸克产生。结果表明，完整的NNLO QCD与电弱NLO修正可解决Tevatron上电荷不对称性的谜题；在7和8 TeV能量下，t通道单顶夸克截面测量值与标准模型预测值的偏差在9.5%以内，证实了电弱产生机制的高精度。

ABSTRACT

In this review article three promising aspects of top quark production are discussed: the charge asymmetry in top quark pair production, the search for resonant top quark pair production, and electroweak single top quark production. First, an overview of the theoretical predictions of top quark pair and single top quark production is given. Then, for each topic the general analysis strategy and improvements are exemplarily explained using selected analyses and are put into the context of the global status at the beginning of LHC Run II and progress in this field. The example analyses discussed in more detail in this article use data from the LHC experiment CMS and for the charge asymmetry studies also data from the Tevatron experiment CDF have been used.

研究动机与目标

• 综述并整合LHC Run II阶段以来，LHC与Tevatron上顶夸克产生研究的实验进展。
• 评估顶夸克对产生中电荷不对称性的意义，并解决Tevatron测量结果与标准模型预测之间的差异。
• 评估基于高boost顶夸克末态的共振顶夸克对产生搜索的灵敏度与结果。
• 确立t通道单顶夸克截面测量的精度及其在检验电弱耦合中的作用。
• 评估LHC Run II在提升顶夸克性质测量精度及新物理搜索潜力方面的前景。

提出的方法

• 分别利用LHC和Tevatron上CMS与CDF实验的数据进行对比分析。
• 应用多变量分析技术（如BDT）以增强t通道及Wt单顶夸克产生中信号与背景的分离效果。
• 采用事例重建与运动学拟合方法，识别在轻子+喷注及双轻子末态中的顶夸克衰变。
• 基于最高达12.2 fb⁻¹的积分亮度，在√s = 8 TeV条件下进行截面测量。
• 采用NNLO QCD与NLO电弱理论预测值，与实验结果进行比较。
• 利用严格的统计标准，对单顶夸克产生过程中异常耦合（如FCNC）设定上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 完整的NNLO QCD与电弱NLO修正在多大程度上解决了Tevatron观测到的大电荷不对称性？
• RQ2 LHC Run I数据对共振顶夸克对产生的灵敏度如何？在Run II中该灵敏度有何提升？
• RQ3 在7和8 TeV能量下，t通道单顶夸克产生截面的测量精度如何？与标准模型预测值相比如何？
• RQ4 从单顶夸克产生中可对异常Wtb耦合及FCNC过程施加何种约束？
• RQ5 LHC Run II中更高的质心系能量将如何提升顶夸克性质测量的精度？

主要发现

• Tevatron观测到的大电荷不对称性通过引入完整的NNLO QCD与电弱NLO修正得以解决，未发现新物理的迹象。
• LHC Run I数据中未观测到共振顶夸克对产生的证据，但已建立针对高boost顶夸克末态的分析策略，对新物理具有高灵敏度。
• 在√s = 7和8 TeV条件下，t通道单顶夸克产生截面的相对不确定度低于9.5%，与标准模型预测值高度一致。
• CMS合作组利用12.2 fb⁻¹的8 TeV数据，在6.1σ显著性水平下观测到Wt产生，测得截面为12.3 ± 5.4 pb。
• ATLAS合作组利用20.3 fb⁻¹的8 TeV数据，对s通道单顶夸克产生设定95%置信水平上限为14.6 pb，与标准模型预期一致。
• 预计LHC Run II将显著提升对顶夸克性质的测量灵敏度，包括W玻色子螺旋态、顶夸克极化以及异常耦合等，得益于更高的质心系能量与更优的统计精度。