[论文解读] Influence of Z' boson on top quark spin correlations at the LHC

Masato Arai, Nobuchika Okada+2 more|ArXiv.org|Apr 23, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 10

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上，一个假设的 $Z^\prime$ 玻色子对顶夸克对产生及自旋关联的影响。通过在具有扩展规范对称性的模型中采用 $Z^\prime$-介导的 $s$-通道过程，研究发现：在接近 $Z^\prime$ 共振峰时，顶-反顶夸克产生截面和自旋关联与标准模型（SM）预测显著偏离，为新物理提供了可观测的信号。

ABSTRACT

We study top-antitop pair production and top spin correlations in a model with an electrically neutral massive gauge boson, Z', at the Large Hadron Collider. In addition to the Standard Model processes, the Z' contributes to the top-antitop pair production process in the s-channel. Choosing a kinematical region of top invariant mass around the Z' resonance pole, we find sizable deviations of the top-antitop pair production cross section and the top spin correlations from those of the Standard Model.

研究动机与目标

• 研究在扩展规范模型中产生的 $Z^\prime$ 玻色子如何影响大型强子对撞机（LHC）上的顶-反顶夸克对产生。
• 分析在 $s$-通道中通过 $Z^\prime$ 交换导致的顶夸克自旋关联的修正，尤其关注 $Z^\prime$ 共振附近的情况。
• 评估顶夸克自旋关联作为探测标准模型之外新物理的敏感度。
• 量化在包含 $Z^\prime$ 贡献时，顶-反顶不变质量分布和自旋关联可观测量的偏离程度。
• 为利用 LHC 上的自旋依赖可观测量区分 $Z^\prime$ 信号与 SM 背景提供一个框架。

提出的方法

• 构建一个包含一个具有质量的 $Z^\prime$ 玻色子的模型，该玻色子作为扩展规范群（如左右对称或大统一理论中的）的中性规范玻色子。
• 使用通用规范流形式主义，推导出在 $s$-通道中由 $Z^\prime$ 介导的极化顶-反顶夸克对产生过程的不变振幅。
• 使用自旋密度矩阵形式主义，计算顶夸克与反顶夸克之间的自旋关联，同时包含标准模型（SM）和 $Z^\prime$ 贡献。
• 对顶-反顶不变质量分布和自旋关联可观测量进行数值分析，重点关注接近 $Z^\prime$ 共振极点的区域。
• 使用来自 $U(1)_{B-L}$ 类似模型的具体耦合参数，比较包含和不包含 $Z^\prime$ 贡献时的总截面和自旋关联函数。
• 应用自旋分析能力形式主义，将顶夸克自旋极化与衰变产物（如带电轻子）的角分布联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $s$-通道中存在 $Z^\prime$ 玻色子时，它如何改变大型强子对撞机（LHC）上顶-反顶夸克对的产生截面？
• RQ2 与标准模型相比，$Z^\prime$ 交换导致的顶夸克自旋关联在可观测上有哪些偏差？
• RQ3 顶-反顶不变质量谱中的 $Z^\prime$ 共振区能否用于区分新物理与 SM 背景？
• RQ4 $Z^\prime$ 对费米子（特别是顶夸克）的耦合如何影响顶-反顶末态中的角分布和自旋不对称性？
• RQ5 在共振附近，顶夸克自旋关联测量对 $Z^\prime$ 质量和耦合强度的敏感度如何？

主要发现

• $Z^\prime$ 玻色子通过 $s$-通道对顶-反顶夸克对产生有显著贡献，导致在接近 $Z^\prime$ 极点的不变质量分布中出现共振增强。
• 在接近 $Z^\prime$ 共振时，由于干涉和共振贡献，顶-反顶夸克对产生总截面与标准模型预测相比出现显著偏离。
• 当引入 $Z^\prime$ 交换时，顶夸克自旋关联表现出明显的偏离，尤其在同自旋和异自旋对产生不对称性中更为显著。
• $Z^\prime$ 引起的自旋关联会改变顶夸克衰变产物（如带电轻子）的角分布，从而提供可测量的信号。
• 自旋关联偏离的程度取决于 $Z^\prime$ 对顶夸克的耦合以及 $Z^\prime$ 的质量，且在共振峰附近达到最大值。
• 本研究证明，顶夸克自旋关联是探测 LHC 上质量在 TeV 范围内的 $Z^\prime$ 玻色子的敏感探针。