[论文解读] Observing Spin Correlations in Single Top Production and Decay

Gregory Mahlon|ArXiv.org|Nov 28, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文研究了在 Tevatron 上单顶夸克产生与衰变中的自旋关联，重点分析衰变产物的角分布以探测顶夸克极化。研究发现，当选择合适的自旋量化轴时，在 $W^* $-融合与 $Wg$-融合通道中，顶夸克的极化度极高（超过 95%），且带电轻子与顶夸克自旋的关联达到最大值（$α_β = 1$），使得在 Run II 中可观测到自旋关联。

ABSTRACT

The weak decay of a polarized top quark has a rich structure of angular correlations among its decay products. We describe some of the noteworthy features of such decays. We then examine the three modes of single top production, with an emphasis on the status of calculations of the degree and direction of polarization at Run II of the Tevatron. The associated production of a top quark with a W boson will be very difficult to observe at the Tevatron. Prospects for observing the other two production mechanisms are much better. The spin state of the produced top quark is understood at leading order in the W* production channel. For the Wg-fusion process, we present new results including the resummed logarithmic corrections of the form ln(mt^2/mb^2). The spin-dependence of the complete order alpha_s corrections to either of these processes has not yet been determined. The fraction of spin up top quarks is large (approx. 95%) for both modes provided that the appropriate spin quantization axis is chosen.

研究动机与目标

• 研究标准模型中顶夸克衰变的自旋结构，特别是衰变产物与顶夸克自旋之间的角关联。
• 评估在 Tevatron 上单顶夸克产生模式中，特别是 Run II 中顶夸克极化的程度与方向。
• 确定单顶事件中自旋相关关联的可观测性，并与 $t\bar{t}$ 对产生进行比较。
• 评估高阶 QCD 校正（特别是 $π(m_t^2/m_b^2)$ 的对数项）对 $Wg$-融合中顶夸克极化的影响。
• 识别在 Tevatron 上可测量的自旋关联，特别是 $W^* $-融合与 $Wg$-融合通道。

提出的方法

• 利用标准模型中 $Wtb$ 顶点的 $V-A$ 结构，模拟顶夸克静止参考系中的角衰变分布。
• 应用角分布公式 $ \frac{1}{\Gamma_T} \frac{d\Gamma}{d(\cos\chi_i^t)} = \frac{1}{2}(1 + \alpha_i \cos\chi_i^t) $，其中 $\alpha_i$ 表征每个衰变产物的自旋关联程度。
• 利用 PDG2000 给出的 $m_t$ 与 $m_W$ 输入值，评估 $W$、$b$、$\ell$、$\bar{\ell}$ 及其他夸克的关联系数 $\alpha_i$。
• 分析包含 $π(m_t^2/m_b^2)$ 校正的自旋依赖性 $Wg$-融合产生过程，通过求和对数项以提高极化预测精度。
• 比较 $W^* $-融合与 $Wg$-融合机制在单顶夸克产生中的表现，重点关注能最大化极化的自旋量化轴。
• 基于预期的 Tevatron Run IIa 亮度，使用 $3\sigma$ 显著性阈值评估自旋关联的统计可观测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Tevatron 上的 $W^* $-融合与 $Wg$-融合单顶夸克产生中，顶夸克的极化程度如何？
• RQ2 在静止参考系中，顶夸克衰变产物与自旋之间的角关联如何表现？哪种衰变产物表现出最大关联？
• RQ3 在 Tevatron Run IIa 亮度下，单顶事件中的自旋关联是否可观测？哪种产生模式前景最佳？
• RQ4 高阶 QCD 校正（特别是 $π(m_t^2/m_b^2)$ 项）对 $Wg$-融合中预测极化的影响程度如何？
• RQ5 自旋量化轴的选择如何影响单顶事件中观测到的极化与关联可观测性？

主要发现

• 由于左手态与纵向 $W$ 玻色子态之间的干涉，带电轻子（或强子衰变中的 $d$-型夸克）与顶夸克自旋的关联达到最大值，$α_\ell = 1$ 精确成立。
• 在 $W^* $-融合中，当沿反质子束流方向量化自旋时，98% 的顶夸克以自旋向上态产生。
• 在 $Wg$-融合中，当沿残余夸克方向量化自旋时，96% 的顶夸克以自旋向上态产生。
• 在 $Wg$-融合中，通过求和 $π(m_t^2/m_b^2)$ 项，净极化度略高于领先阶结果。
• 在 Tevatron Run IIa 中，顶夸克自旋轴与带电轻子发射角之间的关联预计可在 $3\sigma$ 水平上被观测到，适用于 $Wg$-融合模式。
• 关联的 $tW$ 产生模式在 Tevatron 上过小而无法观测，但其余两种模式（$W^* $-融合与 $Wg$-融合）为极化与自旋关联测量提供了强劲前景。