[论文解读] Rare exclusive hadronic W decays in a t-tbar environment

Michelangelo L. Mangano, Tom Melia|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出在LHC的$t\bar{t}$环境中，利用单粒子喷流隔离技术抑制QCD背景，测量稀有纯有胶子的W衰变，如$W\to\pi\gamma$和$W\to\pi\pi\pi$。通过利用高统计的$t\bar{t}$事例，并对轻子衰变的W玻色子和$b$-喷流进行标记，该方法使此前在强子对撞机上无法测量的纯有胶子末态得以探测，预计在HL-LHC上对$W\to\pi\gamma$的信号显著性可达$\sim 5\sigma$，在100 TeV对撞机上可达$\sim 10\sigma$。

ABSTRACT

The large cross section for t-tbar production at the LHC and at any future hadron collider provides a high-statistics and relatively clean environment for a study of W boson properties: after tagging on a leptonic decay of one of the Ws and the two b-jets, an additional W still remains in the event. We study the prospect of making the first exclusive hadronic decay of a fundamental boson of the standard model, using the decay modes W to pi gamma and W to pi pi pi, and other related decays. By using strong isolation criteria, which we impose by searching for jets with a single particle constituent, we show that the three particle hadronic W decays have potential to be measured at the LHC. The possibility of measuring an involved spectrum of decay products could considerably expand our knowledge of how the W decays, and experimental techniques acquired in making these measurements would be useful for application to future measurements of exclusive hadronic Higgs boson decays.

研究动机与目标

• 为克服在强子对撞机上测量纯有胶子W衰变时QCD背景过强的挑战。
• 利用LHC及未来强子对撞机上高$t\bar{t}$产生截面的优势，创建一个洁净的环境，用于研究在标记一个轻子衰变W和两个$b$-喷流后剩余的W玻色子。
• 展示利用单粒子喷流隔离作为新型喷流子结构技术，测量稀有纯有胶子衰变（如$W\to\pi\gamma$和$W\to\pi\pi\pi$）的可行性。
• 通过发展W玻色子物理领域的实验技术，为未来精确测量纯有胶子Higgs衰变提供原理验证。
• 在当前PDG上限之外，提升对稀有W衰变的实验探测能力，特别是$W\to\pi\gamma$和$W\to D_s^+\gamma$。

提出的方法

• 利用$t\bar{t}$事例环境，其中一个W衰变为轻子态，两个$b$-喷流被标记，从而留下一个W玻色子供研究。
• 应用单粒子喷流隔离：要求喷流中仅含一个强子或电磁强子组分，以识别如$W\to\pi\gamma$或$W\to\pi\pi\pi$等纯末态。
• 实施严格的隔离标准，基于单部分子喷流在QCD中极为稀有的事实，从而有效抑制一般强子活动带来的背景。
• 通过粒子级蒙特卡罗模拟研究信号与背景，重点聚焦于$W\to\pi\gamma$和$W\to\pi\pi\pi$衰变模式。
• 使用算符乘积展开（OPE）和有效场论计算$W\to\pi\gamma$的振幅，保留主导扭曲度算符，并在$\omega = -2p\cdot q/q^2$处展开。
• 将振幅计算结果与现有文献结果（如AMP）进行比较，确认在考虑形式因子归一化和高阶修正后的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在QCD背景过强的情况下，能否在LHC上测量如$W\to\pi\gamma$这样的纯有胶子W衰变？
• RQ2 在高多重性强子环境中，单粒子喷流隔离是否是一种有效识别稀有纯有胶子W衰变末态的技术？
• RQ3 使用$t\bar{t}$标记方法，在HL-LHC和未来100 TeV对撞机上观测$W\to\pi\gamma$的预期显著性是多少？
• RQ4 基于OPE和有效场论的$W\to\pi\gamma$理论振幅计算结果，与文献中已有结果相比如何？
• RQ5 强子对撞机中的$t\bar{t}$环境能否作为测量稀有W衰变的可行平台，类似于$e^+e^-$对撞机上Z玻色子的衰变？

主要发现

• 在HL-LHC的$t\bar{t}$环境中，经过$b$-喷流和轻子衰变W的标记后，可获得约$O(10^9)$个可触发的W玻色子，支持高统计研究。
• 单粒子喷流隔离技术能有效抑制QCD背景，使LHC上测量纯有胶子W衰变成为可能。
• 在HL-LHC上，对$W\to\pi\gamma$的信号显著性可达$\sim 5\sigma$，在100 TeV对撞机上（10 ab$^{-1}$数据）可提升至$\sim 10\sigma$。
• 通过OPE计算的$W\to\pi\gamma$振幅结果与现有文献（如AMP）一致，经形式因子归一化和高阶修正调整后。
• 估算$W\to\pi\gamma$的衰变宽度约为$\sim 10^{-9}$ GeV，与有效场论和QCD动力学的预期一致。
• 本研究为在强子对撞机上测量基本玻色子的纯有胶子衰变提供了原理验证，对未来Higgs玻色子衰变研究具有重要意义。