[论文解读] Longitudinal top polarisation measurement and anomalous $Wtb$ coupling

Arun Prasath, Rohini M. Godbole+1 more|NOT FOUND REPOSITORY (Indian Institute of Science Bangalore)|May 6, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出了一组顶夸克衰变产物中的运动学不对称性，用于探测纵向顶夸克极化以及异常的 $Wtb$ 耦合，特别是在高度增强的能区。结果表明，能量相关的不对称性比角分布对增强顶夸克拓扑结构更敏感，并且表明结合极化敏感可观测量可增强对 $Wtb$ 顶点新物理的探测灵敏度。

ABSTRACT

Kinematical distributions of decay products of the top quark carry information on the polarisation of the top as well as on any possible new physics in the decay of the top quark. We construct observables in the form of asymmetries in the kinematical distributions to probe their effects. Charged-lepton angular distributions in the decay are insensitive to anomalous couplings to leading order. Hence these can be a robust probe of top polarisation. However, these are difficult to measure in the case of highly boosted top quarks as compared to energy distributions of decay products. These are then sensitive, in general, to both top polarisation and top anomalous couplings. We compare various asymmetries for their sensitivities to the longitudinal polarisation of the top quark as well as to possible new physics in the $Wtb$ vertex, paying special attention to the case of highly boosted top quarks. We perform a $χ^2$- analysis to determine the regions in the longitudinal polarisation of the top quark and the couplings of the $Wtb$ vertex constrained by different combinations of the asymmetries. Moreover, we find that use of observables sensitive to the longitudinal top polarisation can add to the sensitivity to which the $Wtb$ vertex can be probed.

研究动机与目标

• 开发对高能 $pp$ 碰撞中纵向顶夸克极化敏感的稳健可观测量。
• 研究各种运动学不对称性对异常 $Wtb$ 耦合的灵敏度，特别是在高度增强的顶夸克区域。
• 利用 $\chi^2$-分析框架评估极化与异常耦合测量之间的相互作用。
• 确定极化敏感可观测量是否能在标准探测手段之外，提升对 $Wtb$ 顶点新物理的探测灵敏度。

提出的方法

• 构建在顶夸克衰变中带电轻子能量和角分布不对称性的可观测量。
• 在顶夸克静止参考系中推导微分衰变率分布 $d^2\Gamma/dx_\ell dt$，并通过洛伦兹变换转换到增强参考系。
• 根据增强参数 $\beta$ 的不同，将 $t = \cos\theta_\ell$ 的积分划分为三个区域，临界值为 $\beta_c = (\xi-1)/(\xi+1)$。
• 推导出 $\beta < \beta_c$ 时的 $R1(x_\ell)$, $R2(x_\ell)$, $R3(x_\ell)$ 以及 $\beta > \beta_c$ 时的 $S1(x_\ell)$, $S2(x_\ell)$, $S3(x_\ell)$ 的显式表达式，其中包含极化 $P$ 和异常耦合 $f_{1L}, f_{2R}$。
• 应用 $\chi^2$-分析方法，通过组合不同不对称性来约束纵向极化与 $Wtb$ 耦合的参数空间。
• 比较能量基不对称性与角分布的灵敏度，结果表明在增强区域中前者更为有效。

实验结果

研究问题

• RQ1 在探测纵向顶夸克极化方面，顶夸克衰变产物中的能量基不对称性与角不对称性相比如何？
• RQ2 在顶夸克增强的背景下，极化敏感可观测量在多大程度上能增强对异常 $Wtb$ 耦合的探测灵敏度？
• RQ3 哪些运动学区域和积分限会影响增强顶夸克中微分衰变率分布？
• RQ4 临界增强 $\beta_c = (\xi-1)/(\xi+1)$ 如何影响 $x_\ell$-积分不对称函数的结构？
• RQ5 对多个不对称性的联合分析是否能超越标准探测手段，降低对 $Wtb$ 顶点新物理约束的不确定性？

主要发现

• 在高度增强区域，带电轻子能量分布对纵向顶夸克极化和异常 $Wtb$ 耦合的探测灵敏度高于角分布。
• $\chi^2$-分析表明，结合极化敏感不对称性可显著提升对异常 $Wtb$ 耦合的探测灵敏度，超越标准可观测量的极限。
• 当 $\beta < \beta_c$ 时，$x_\ell$-分布被划分为三个具有不同积分限的区域；当 $\beta > \beta_c$ 时，区域结构发生变化，且在 $\beta = \beta_c$ 处满足 $x_2 = x_3$。
• 成功推导出 $R1(x_\ell)$, $R2(x_\ell)$, $R3(x_\ell)$ 和 $S2(x_\ell)$ 的显式解析表达式，其中包含极化 $P$ 和异常耦合 $f_{1L}, f_{2R}$。
• 研究证实，即使在角分布因洛伦兹增强而变得不敏感时，能量基不对称性仍能作为顶极化的稳健探测工具。
• 引入纵向极化信息可显著提升对 $Wtb$ 顶点新物理的探测能力，尤其在高增强场景下。