[论文解读] Production and measurement of $e^{+}e^{-} ightarrow c\bar{c}$ signatures at the 250 GeV ILC

A. Irles Quiles, Roman Poeschl+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用 6

一句话总结

该论文对国际线性对撞机（ILC）在250 GeV能量下 $e^+e^- \to c\bar{c}$ 产生过程进行了详细的模拟研究，表明在2000 fb$^{-1}$ 亮度和极化束流条件下，ILC能够以约0.2%的总实验不确定性测量 $c\bar{c}$ 截面和前后不对称性，从而实现对新物理（如Randal-Sundrum Z'共振态）的探测，灵敏度可达95%置信水平下34 TeV的质​​量尺度。

ABSTRACT

This document discusses for the first time the experimental prospects on the measurement of cross section and the forward-backward asymmetry in $e^{-}e^{+} ightarrow c\bar{c}$ collisions at 250 GeV at the International Linear Collider operating polarised beams. The cross section will be normalised to the total hadronic cross section. We discuss the results for an analysis assuming the integrated luminosity of 2000 fb$^{-1}$ foreseen in the baseline project. The measurement requires determining the charge of both jets identified as originated by a $c$-quark. The charge measurement is optimally performed using the precise micro-vertex detector of the detector ILD and the charged kaon identification provided by the $\frac{dE}{dx}$ information of its TPC. Thanks to the beam polarisation, we can separate the four independent chirality combinations of the electroweak couplings, enhancing in this way the sensitivity to new physics effects. We show that due to the unprecedented precision that will be achieved by the ILC for these observables, the ILC will be sensitive to the existence of beyond the standard model Randal Sundrum resonances of several tens of TeV.

研究动机与目标

• 评估在250 GeV运行的ILC测量 $e^+e^- \to c\bar{c}$ 截面和前后不对称性的实验可行性。
• 评估束流极化对分辨电弱耦合至c夸克的四种独立手征性的影响力。
• 确定ILC对标准模型之外新物理的探测灵敏度，特别是Randal-Sundrum Z'共振态。
• 展示高精度顶点重建与基于 $dE/dx$ 的K介子识别在c夸克电荷标记中的作用。
• 通过完整的探测器模拟与重建，量化 $R_c$ 与 $A^{c\bar{c}}_{FB}$ 的预期实验精度。

提出的方法

• 使用ILD概念结合Mokka/Geant4框架与ILCSoft重建工具进行完整的探测器模拟。
• 利用WHIZARD 1.95在Leading Order生成事件，随后通过Pythia 6.422进行部分子辐射与强子化。
• 利用高颗粒度TPC实现基于 $dE/dx$ 的带电K介子识别，并实现高精度顶点重建以完成c夸克标记。
• 应用粒子流重建与喷注聚类算法，以分离 $c\bar{c}$ 事件。
• 实施极化束流配置（$e_L p_R$ 与 $e_R p_L$）以独立获取螺旋幅值。
• 对重建的角分布进行拟合，以提取 $A^{c\bar{c}}_{FB}$，并估计统计与系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2000 fb$^{-1}$ 亮度下，ILC250对 $c\bar{c}$ 前后不对称性 $A^{c\bar{c}}_{FB}$ 的预期精度是多少？
• RQ2 束流极化如何增强对 $c\bar{c}$ 产生过程中电弱耦合手征结构的探测灵敏度？
• RQ3 ILC通过250 GeV下的 $c\bar{c}$ 观测量，对Randal-Sundrum Z'共振态的探测范围是多少？
• RQ4 ILD探测器的顶点重建与 $dE/dx$ 能力是否足以实现稳健的c夸克电荷标记，以满足不对称性测量需求？
• RQ5 预期的 $R_c$ 与 $A^{c\bar{c}}_{FB}$ 实验不确定性与理论预期及LHC灵敏度相比如何？

主要发现

• 对于 $e_L p_R$ 极化配置，$A^{c\bar{c}}_{FB}$ 的总实验不确定性为0.16%（统计）+ 0.09%（系统），对于 $e_R p_L$ 配置则为0.20% + 0.10%。
• ILC在2000 fb$^{-1}$ 全程序中对 $A^{c\bar{c}}_{FB}$ 实现了约0.2%的联合实验精度，显著优于LEP与SLD。
• 在无信号的情况下，ILC对Randal-Sundrum Z'共振态的探测灵敏度可达95%置信水平下34 TeV的质量尺度。
• 束流极化使左旋与右旋螺旋幅值得以独立测量，从而能够区分不同新物理模型。
• ILD探测器的高精度顶点重建与基于 $dE/dx$ 的K介子识别对分辨c夸克喷注电荷至关重要。
• ILC250计划结合先前的GigaZ数据，使对Z玻色子与夸克耦合的测量精度提升约5倍，从而增强对新物理效应的探测灵敏度。