[论文解读] Perspectives for Top quark physics at High-Luminosity LHC

M. Selvaggi|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文评估了在高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）上顶夸克物理的前景，预测在3 ab⁻¹的积分亮度下，可实现十亿量级的顶夸克事例样本。文章详细分析了堆叠和辐射带来的实验挑战，并预测了对异常顶夸克耦合（例如 |d_A,V| < 0.02）和味改变中性流（例如 BR(t→Zq) < 5×10⁻⁵）的灵敏度，展示了HL-LHC以百分之一量级的精度探测标准模型之外的新物理的潜力。

ABSTRACT

The High-Luminosity LHC is expected to provide $3 ab^{-1}$ of integrated luminosity. As a result billions of events containing top quarks will be detected at the CMS and ATLAS experiments, allowing for precise measurements of the top quark properties. The experimental challenges that will be faced in a high luminosity environment, with a special focus on top quark related observables are examined. We discuss prospects for measuring top quark anomalous couplings at the HL-LHC. Projections for detecting flavor changing neutral currents involving top quarks are also reviewed.

研究动机与目标

• 评估高堆叠和辐射水平对HL-LHC上顶夸克测量带来的主要实验挑战。
• 利用有效场论和事例运动学，预测顶夸克耦合测量的灵敏度。
• 评估在顶夸克衰变中发现味改变中性流（FCNCs）的潜力。
• 量化在3 ab⁻¹数据下，稀有顶夸克衰变分支比限值的预期改进。

提出的方法

• 利用有效场论（EFT）建模异常顶夸克耦合，包括色电偶极矩和色磁偶极矩。
• 应用事件级可观测量，如不变质量、横动量和喷注质量分布，以探测异常耦合。
• 采用喷注梳理和堆叠抑制技术，减轻高堆叠导致的 E_T^miss 和喷注能量分辨率下降。
• 利用蒙特卡洛模拟和在强子喷注与高动量区域的信号-背景区分技术，提升灵敏度。
• 分析包含多个轻子、b夸克喷注和缺失能量的末态，以分离稀有顶夸克衰变。
• 通过统计外推和ATLAS与CMS合作组验证的模拟，预测极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于高堆叠和辐射，HL-LHC上顶夸克物理面临哪些关键实验挑战？
• RQ2 在3 ab⁻¹数据下，异常顶夸克耦合（例如色偶极矩）的约束精度如何？
• RQ3 HL-LHC能否在分支比10⁻⁵量级探测顶夸克味改变中性流（FCNCs）？
• RQ4 在高亮度数据下，对稀有顶夸克衰变（如 t→Zq 和 t→cH）的预期灵敏度如何？
• RQ5 喷注梳理和扩展的触发器接受度如何提升高多重性环境中顶夸克重建的性能？

主要发现

• 预计HL-LHC将提供3 ab⁻¹的积分亮度，使十亿量级的顶夸克事例得以观测。
• 在HL-LHC上，异常色偶极矩耦合 |d_A,V| 可被约束在0.02以下。
• 通过大动量传递的单个顶夸克s通道产生，可对异常张量耦合实现灵敏度，预计极限为 |g_A,V| < 0.10。
• 在三轻子末态中观测ttZ过程，可对张量型耦合实现约束，|C²_Z,A|,|C²_Z,V| < 0.08。
• 在HL-LHC上，顶夸克汤川耦合可实现约10%的测量精度，主要通过H→γγ和H→ττ通道中的ttH产生过程实现。
• 对于味改变中性流，t→Zq的分支比极限预计可达到 BR(t→Zq) < 5×10⁻⁵（相比以往极限提升一个数量级）。