[论文解读] Probing leptoquark chirality via top polarization at the Colliders

Joydeep Roy|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文提出通过高能对撞机中顶夸克极化的探测来研究轻子荷夸克的手征性。通过在完全强子衰变和半轻衰变中利用底夸克能量比重建顶夸克的手征性，研究表明，即使在背景水平较高的情况下，FCC-hh对撞机也能有效区分纯左旋矢量轻子荷夸克与标准模型的t\bar{t}本底。

ABSTRACT

Anomalies in recent LHCb, Belle and Babar measurements of $R_{D^{(*)}}$, and $R_{K^{(*)}}$ in $B$ decays may indicate the new physics beyond the Standard Model (SM). The leptoquarks ($LQ$) that couple to the $3^{\mathrm{rd}}$ generation quarks and leptons have been proposed as a viable new physics (NP) explanation. Such left-handed $LQ$s can couple to both bottom and top quarks. Since top particles decay before the hadronization, it is possible to reconstruct chirality of boosted top quarks and consequently the chirality of top coupling to the $LQ$s. We perform analysis on the top quark's chirality in the pair-production channel of the $LQ$, which can be purely left-handed in comparison to unpolarized $t\bar{t}$ SM background. We study the prospects of distinguishing the chirality of a potential $LQ$ signal for the high luminosity run of the LHC and other future colliders.

研究动机与目标

• 研究是否可通过顶夸克极化在对撞机中探测与第三代夸克和轻子耦合的轻子荷夸克的手征性。
• 通过探索保持B-L守恒且避免质子快速衰变的轻子荷夸克模型，解决$R_{D^{(*)}}$和$R_{K^{(*)}}$衰变中的异常现象。
• 开发一种模型无关的方法，利用顶夸克衰变中底夸克能量比重建顶夸克手征性，利用顶夸克在强子化前衰变的特性。
• 评估未来对撞机（尤其是高亮度LHC和FCC-hh）对探测纯左旋矢量轻子荷夸克信号的灵敏度。
• 通过运动学截断（特别是缺失横向能量MET截断）将轻子荷夸克信号与主导的SM $t\bar{t}$本底区分开。

提出的方法

• 本研究聚焦于一个纯左旋矢量轻子荷夸克$U_3 = (\mathbf{3},\mathbf{3},2/3)$，其与顶夸克耦合并衰变为一个顶夸克和一个带电轻子。
• 通过顶衰变产物中底夸克能量比重建顶夸克手征性，该变量为模型无关，对顶夸克螺旋度敏感。
• 利用蒙特卡洛模拟在$\sqrt{s} = 13~\mathrm{TeV}$（LHC）和$\sqrt{s} = 100~\mathrm{TeV}$（FCC-hh）下生成信号和SM $t\bar{t}$本底事件。
• 应用运动学截断（包括能量和MET截断）以抑制SM本底，同时保留信号事件。
• 对底夸克能量比进行四箱分析，并采用基于$\chi^2$的灵敏度检验，以确定在95%置信水平下实现发现所需的亮度。
• 定义$\chi^2$函数为$\chi^2 = \sum_{i=1}^{4} \frac{(x_i - \mu_i)^2}{\sigma_i}$，其中$x_i$为信号预测值，$\mu_i$为SM本底值，$\sigma_i = x_i + \mu_i$。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过顶夸克极化在对撞机中探测与第三代费米子耦合的轻子荷夸克手征性？
• RQ2 底夸克能量比作为模型无关可观测量，在区分左旋与右旋顶夸克衰变方面有多高效？
• RQ3 在HL-LHC和FCC-hh上实现对纯左旋矢量轻子荷夸克信号95%置信水平灵敏度所需的亮度是多少？
• RQ4 HL-LHC与FCC-hh的信号本底比如何变化？MET截断是否能有效抑制SM $t\bar{t}$本底？
• RQ5 尽管FCC-hh的SM本底率更高，是否仍能将轻子荷夸克信号与SM $t\bar{t}$本底有效区分？

主要发现

• 在HL-LHC上，亮度为$150~\mathrm{fb}^{-1}$时，预计仅约1.5个信号事例，表明对探测纯左旋轻子荷夸克的灵敏度可忽略不计。
• 在FCC-hh上，亮度为$1000~\mathrm{fb}^{-1}$时，预计约有$2.2 \times 10^5$个信号事例，显示出对轻子荷夸克信号的强灵敏度。
• 估计在FCC-hh上实现95%置信水平发现所需的亮度为$0.363~\mathrm{fb}^{-1}$，而在HL-LHC上则超过$3.6 \times 10^5~\mathrm{fb}^{-1}$，表明HL-LHC对这一信号不敏感。
• 底夸克能量比提供了清晰且模型无关的信号，可有效区分左旋与右旋顶夸克，从而实现手征性重建。
• MET截断显著降低了SM $t\bar{t}$本底，提高了信号本底比，增强了轻子荷夸克信号的可区分性。
• 尽管FCC-hh的SM $t\bar{t}$本底率更高，但信号独特的谱形使其能有效分离，证实了未来对撞机中手征性探测的可行性。