[论文解读] Measurement of the W-boson helicity fractions in top-quark decays at CDF

T. Chwalek|arXiv (Cornell University)|May 21, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文利用位于费米实验室的 Tevatron 对撞机上 CDF II 探测器获取的 955 pb⁻¹ 数据，测量了顶夸克衰变中 W 玻色子的螺旋度成分。通过重建顶夸克和 W 玻色子的四维动量，并分析衰变角 θ*，研究得到 F₀ = 0.59 ± 0.12（统计）⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁶（系统）和 F₊ = -0.03 ± 0.06（统计）⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰³（系统），与标准模型预测一致，并在 95% 置信水平下设定 F₊ ≤ 0.10 的上限。

ABSTRACT

We present a measurement of the fractions F_0 and F_+ of longitudinally polarized and right-handed W bosons in top-quark decays using data collected with the CDF II detector. The data set used in the analysis corresponds to an integrated luminosity of approximately 955 pb-1. We select top-antitop candidate events with one lepton, at least four jets, and missing transverse energy. Our helicity measurement uses the decay angle theta*, which is defined as the angle between the momentum of the charged lepton in the W boson rest-frame and the W momentum in the top-quark rest-frame. The cos(theta*) distribution in the data is determined by full kinematic reconstruction of the top-antotop candidates. We find F_0 = 0.59 +- 0.12 (stat) +0.07 -0.06 (syst) and F_+ = -0.03 +- 0.06 (stat) +0.04 -0.03 (syst), which is consistent with the standard model prediction. We set an upper limit on the fraction of right-handed W-bosons of F_+ < 0.1 at the 95% confidence level.

研究动机与目标

• 在 Tevatron 上测量顶夸克衰变中纵向极化（F₀）和右旋（F₊）W 玻色子的分数。
• 检验标准模型预测，即来自顶夸克衰变的 W 玻色子主要为左旋或纵向极化。
• 搜索可能指示新物理的偏离，例如 Wtb 顶点中存在 V+A 组分或异常耦合。
• 使用传递函数校正探测器接受度和分辨率效应，以展开真实的 θ* 分布。
• 对右旋 W 玻色子的分数设定 95% 置信水平上限。

提出的方法

• 事件选择采用 '轻子+喷注' 通道，要求一个孤立轻子、缺失横向动量、至少四个喷注，以及一个 b 本征标记的喷注。
• 通过约束 W 玻色子质量与顶夸克质量差，并使用神经网络 b 本征标记器识别 b 喷注，对 t¯t 事件进行完整运动学重建。
• 衰变角 θ* 定义为在 W 玻色子静止参考系中，带电轻子动量与在顶夸克静止参考系中 W 玻色子动量之间的夹角。
• 采用分箱的最大似然拟合方法提取 F₀ 或 F₊，信号与背景贡献使用理论 θ* 分布（公式 1）建模。
• 利用 PYTHIA 蒙特卡罗模拟推导出的传递函数 τ(F₀, F₊)，对接受度和迁移效应进行校正。
• 对观测到的 θ* 分布应用展开处理，以便与理论预测比较，归一化至 t¯t 产生截面 6.7 pb。

实验结果

研究问题

• RQ1 在顶夸克衰变中，纵向极化 W 玻色子的测量分数 F₀ 是多少？
• RQ2 右旋 W 玻色子的测量分数 F₊ 是多少？是否与零一致？
• RQ3 观测到的 W 玻色子螺旋度分布是否偏离标准模型预测的 F₀ = 0.7 和 F₊ = 0？
• RQ4 右旋 W 玻色子分数的 95% 置信水平上限是多少？
• RQ5 探测器接受度和重建效应如何影响测量的 θ* 分布？又是如何校正的？

主要发现

• 测量得到的纵向极化 W 玻色子分数为 F₀ = 0.59 ± 0.12（统计）⁺⁰.⁰⁷₋₀.⁰⁶（系统），与标准模型预测的 F₀ = 0.7 一致。
• 测量得到的右旋 W 玻色子分数为 F₊ = -0.03 ± 0.06（统计）⁺⁰.⁰⁴₋₀.⁰³（系统），与零一致，且符合标准模型预测。
• 在 95% 置信水平下，设定 F₊ ≤ 0.10 的上限，与右旋 W 玻色子不存在的结论一致。
• 经过探测器效应校正后的展开 θ* 分布与标准模型预测具有良好一致性。
• 传递函数方法成功地考虑了接受度和分辨率效应，使得数据与理论之间能够直接比较。
• 结果在系统不确定性下保持稳健，支持标准模型在顶夸克衰变螺旋度行为中的有效性。