[论文解读] Four-top production and t tbar + missing energy events at multi TeV e+e- colliders

M. Battaglia, Géraldine Servant|arXiv (Cornell University)|May 25, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文研究了在 CLIC 等 3 TeV $e^+e^-$ 对撞机上，通过 $Z^\prime$-介导的四顶夸克和 $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 最终态，利用耦合至轻标准模型粒子被抑制的 $U(1)^\prime$ 模型。结果表明，这些信号——尤其是 $t\bar{t}$ 质量峰和 $E_{\text{miss}}$ 分布——可实现约 3.5 GeV 精度的 $Z^\prime$ 质量重建，为强子顶夸克和暗物质模型提供了强有力的探测手段。

ABSTRACT

Four-top production and top pair production in association with missing energy at e+e- colliders are sensitive probes of beyond-the-Standard-Model physics. We consider Standard Model (SM) extensions containing a new U(1)' which couples preferably to the most massive states of the SM such as the top quark or Dark Matter but has suppressed couplings to all the light states of the SM, as inspired by Randall-Sundrum-like setups or theories of partial fermion compositeness. These simple models are poorly constrained by experimental data but lead to striking new signatures at colliders. In this note we consider Z' production in association with a top quark pair in 3 TeV e+e- collisions at CLIC, leading to interesting four-top final states and ttbar+missing energy events.

研究动机与目标

• 探索通过四顶夸克和 $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 最终态在 $e^+e^-$ 碰撞中发现 $Z^\prime$ 共振态的潜力。
• 评估 CLIC 对具有部分复合性或 Randall-Sundrum 类结构的模型中 $Z^\prime$ 与顶夸克及 WIMPs 耦合的敏感度。
• 证明 $t\bar{t}$ 不变量质量重建与 $E_{\text{miss}}$ 信号可作为对新物理的清晰、背景抑制的探测手段。
• 量化在 $t\bar{t}t\bar{t}$ 最终态中通过运动学拟合与探测器模拟可实现的 $Z^\prime$ 质量分辨率。

提出的方法

• 研究采用一种有效 $U(1)^\prime$ 模型，其中 $Z^\prime$ 规范玻色子优先耦合至右手中性顶夸克和 WIMPs，而通过动能混合使对轻标准模型费米子的耦合被抑制。
• 信号事例使用 CalcHep 在 3 TeV $e^+e^-$ 质心系能量下生成，$g_t^{Z^\prime} = g_N^{Z^\prime} = 3$，随后通过 Pythia 6.125 进行部分子喷注。
• 使用 Mokka 和基于 ILD 的重建工具进行完整的探测器模拟，事件重建通过 Marlin 处理器完成。
• 对于 $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$，选择条件包括 $E_{\text{miss}} < 1900$ GeV，喷注聚类，以及 $M_{\text{jet}}$ 落在 125–225 GeV 范围，以识别顶夸克。
• 对于 $t\bar{t}t\bar{t}$，事件选择包括高粒子多重性（>50）、能量与动量张量（thrust）裁剪，以及使用 Pufitc 进行运动学拟合以提高分辨率。
• 通过重建后运动学拟合的 $t\bar{t}$ 不变量质量分布的上端点重建 $Z^\prime$ 质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 CLIC 等 $e^+e^-$ 对撞机是否可在 3 TeV 下观测到 $t\bar{t}t\bar{t}$ 和 $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 最终态中的 $Z^\prime$ 共振态？
• RQ2 在存在探测器效应和束流辐射（beamstrahlung）的情况下，$t\bar{t}$ 不变量质量分布如何实现 $Z^\prime$ 质量重建？
• RQ3 $Z^\prime$ 介导的 $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 事例中，基于 $E_{\text{miss}}$ 的信号对探测 WIMP 暗物质有何重要意义？
• RQ4 运动学拟合与事件选择如何降低多顶夸克最终态中的 SM 背景？
• RQ5 在 1 ab$^{-1}$ 积分亮度下，$t\bar{t}t\bar{t}$ 事例中 $Z^\prime$ 的可实现质量分辨率是多少？

主要发现

• $t\bar{t}t\bar{Z}^\prime \to t\bar{t}t\bar{t}$ 事例中，$t\bar{t}$ 不变量质量分布在重建后仍能很好地保持其上端点，从而实现精确的 $Z^\prime$ 质量确定。
• 对于 $M_{Z^\prime} = 360$ GeV，利用 1 ab$^{-1}$ 积分亮度，$Z^\prime$ 质量可实现约 3.5 GeV 的统计精度。
• 经过选择后，在 $M_{Z^\prime} = 360$ GeV 情况下，$t\bar{t}$ 质量峰观测到 240 个信号事例，SM 背景可忽略不计。
• $t\bar{t}+E_{\text{miss}}$ 通道在 200 fb$^{-1}$ 下产生 648 个信号事例和 22 个 SM 背景事例，表明该信号具有低背景的清晰特征。
• $M_{Z^\prime} = 360$ GeV 时，$t\bar{t}t\bar{t}$ 的信号截面为 4.2 fb，显著高于 3 TeV 下的 SM 率 0.03 fb。
• $t\bar{t}t\bar{t}$ 的主要 SM 背景来自 $t\bar{t}W+jets$（0.4 fb）和 $t\bar{t}WW+Njets$（0.6 fb），两者均远小于信号截面。