[论文解读] Kinematics of Top Quark Final States: A Snowmass White Paper

A. W. Jung, Markus Schulze+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用 7

一句话总结

本篇2013年Snowmass白皮书评估了在14 TeV LHC上测量顶夸克对产生动力学与电荷不对称性的理论不确定性和实验前景。研究发现，当前的系统误差限制了对标准模型规模的顶夸克产生不对称性的观测，但通过采用替代可观测量——例如$t\bar{t}+j$末态中的倾斜不对称性以及LHCb探测器中的前向不对称性——在50 fb$^{-1}$数据下可实现更高的灵敏度，从而能够对标准模型预言进行决定性检验，并探测标准模型之外的新物理。

ABSTRACT

This is the summary report of the Top Quark Kinematics working group prepared for Snowmass 2013. We survey the current state of theoretical predictions for top pair differential distributions, in both boosted and un-boosted regimes, and present an overview of uncertainties and prospects for top spin correlations. We study the prospects for measuring the inclusive SM top pair production asymmetry AFC at LHC 14 as a function of systematic error, and show that some improvement over current systematic uncertainties, as customarily handled, is required for observing a SM-size asymmetry. Cuts on top pair invariant mass and rapidity do not substantially alter this conclusion. We summarize the conclusions of contributed studies on alternate LHC measurements of the ttbar production asymmetry, in ttbar+jet final states and in forward top production at LHCb, both of which show good prospects for observing SM-size asymmetries in 50 fb-1 of data at LHC14.

研究动机与目标

• 评估14 TeV与33 TeV LHC上顶夸克对产生动力学的理论不确定性，重点关注NLO QCD与部分子分布函数（PDF）的变化。
• 在当前系统误差假设下，评估在14 TeV LHC上测量包含式标准模型顶夸克电荷不对称性的可行性。
• 探索替代可观测量——例如$t\bar{t}+j$末态中的倾斜不对称性以及LHCb探测器中的前向不对称性——以提升对标准模型规模不对称性的灵敏度。
• 量化系统误差对顶夸克产生不对称性可观测性的影响，并评估新物理（BSM）发现的前景。
• 为未来LHC测量中顶夸克动力学分布与自旋关联的统一解释框架提供支持。

提出的方法

• 利用MCFM程序进行NLO QCD计算，以获得14 TeV与33 TeV LHC能量下顶夸克对产生截面与微分分布。
• 通过尺度变化（以$m_t = 173$ GeV为中心，因子为2）与多种PDF集合（MSTW、NNPDF）的变化来估算理论不确定性。
• 分析包括横动量、快度以及顶夸克与反顶夸克快度差在内的动力学分布。
• 利用事件级模拟与选择性动量切割，评估$t\bar{t}+j$末态中倾斜与能量不对称性可观测量，以抑制$gg$起始背景。
• 评估LHCb在14 TeV下利用轻子+喷注与双轻子衰变道，在50 fb$^{-1}$积分亮度下测量前向区域顶夸克产生不对称性的潜力。
• 比较ATLAS/CMS、LHCb与$t\bar{t}+j$末态在系统误差缩放下的不对称性测量显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前系统误差水平下，14 TeV LHC能否观测到标准模型规模的顶夸克产生不对称性？
• RQ2 NLO QCD理论不确定性与PDF变化如何影响顶夸克动力学分布的精度？
• RQ3 在14 TeV LHC上，$t\bar{t}+j$末态中顶夸克电荷不对称性的测量前景如何？对动量变量的切割如何影响灵敏度？
• RQ4 LHCb能否在50 fb⁻¹数据下，以足够显著的统计精度测量前向区域的顶夸克产生不对称性？
• RQ5 与包含式不对称性相比，替代不对称性可观测量在系统误差抑制与新物理发现潜力方面表现如何？

主要发现

• 在当前系统误差水平下，14 TeV LHC上无法对包含式标准模型顶夸克电荷不对称性做出决定性观测；需进一步提升系统误差控制能力。
• 在14 TeV下，$t\bar{t}$总截面为845 pb（NLO QCD计算），尺度残余不确定性为12%，NNPDF部分子分布函数不确定性为8%。
• 在33 TeV下，$t\bar{t}$截面增至5 nb，K因子为1.23，尺度残余不确定性为11%。
• 在$t\bar{t}+j$末态中，倾斜不对称性在3000 fb⁻¹数据下显著性可达约16个标准差，表明对标准模型不对称性具有极强灵敏度。
• 在14 TeV下，LHCb可利用50 fb⁻¹数据测量前向区域顶夸克产生不对称性，无显著堆叠效应退化，高亮度阶段可实现双轻子道道测量。
• 结合LHCb、ATLAS与CMS的测量结果，将更全面地揭示顶夸克产生不对称性，显著增强对新物理（BSM）的探测灵敏度。