[论文解读] Report of the Topical Group on Top quark physics and heavy flavor production for Snowmass 2021

R. Schwienhorst, Doreen Wackeroth+69 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Distributed and Parallel Computing Systems被引用 6

一句话总结

本Snowmass 2021报告概述了在HL-LHC及未来对撞机上开展顶夸克与重味物理（底夸克、粲夸克）研究的物理潜力，重点强调了对顶夸克质量、Yukawa耦合以及与标准模型玻色子耦合的精确测量。报告指出了实现正向轻子对撞机上子50 MeV质量精度和未来强子与轻子对撞机上百分之一水平耦合测量所必需的关键理论挑战——包括N³LO QCD与NNLO电弱计算、PDF不确定性降低，以及顶夸克质量方案校准。

ABSTRACT

This report summarizes the work of the Energy Frontier Topical Group on EW Physics: Heavy flavor and top quark physics (EF03) of the 2021 Community Summer Study (Snowmass). It aims to highlight the physics potential of top-quark studies and heavy-flavor production processes (bottom and charm) at the HL-LHC and possible future hadron and lepton colliders and running scenarios.

研究动机与目标

• 评估在HL-LHC及未来轻子与强子对撞机上顶夸克与重味（底夸克、粲夸克）产生的物理潜力。
• 识别实现子50 MeV顶夸克质量精度与百分之一水平耦合测量所必需的理论与实验挑战。
• 评估顶夸克末态对新物理（BSM）的敏感性，包括味改变中性流、超对称（SUSY）、复合性以及接触相互作用。
• 确立对高阶QCD与电弱计算、改进的PDF以及更优部分子喷注建模的需求，以匹配未来实验精度。
• 通过勾勒能量前沿领域精确顶物理的发展路线图，为未来对撞机与理论研发提供指导。

提出的方法

• 提出在HL-LHC、ILC、CLIC、FCC-ee与FCC-hh上开展顶夸克与重味物理测量的综合计划，利用总截面与微分截面。
• 依赖先进的理论计算：顶对产生过程的N³LO QCD，关联过程的NNLO QCD，以及电弱修正的引入。
• 强调将顶夸克蒙特卡洛质量校准至一个明确定义的微扰方案，以匹配实验精度。
• 通过前向重味测量与改进的全局PDF拟合，实现PDF不确定性的降低。
• 利用有效场论（EFT）拟合约束顶夸克与W、Z、希格斯玻色子及四顶夸克相互作用的威尔逊系数。
• 通过表10比较未来对撞机选项的探测能力，预测顶质量、Yukawa耦合与耦合强度的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来轻子对撞机上顶夸克质量测量可达到何种精度？实现子50 MeV不确定性的理论进展有哪些？
• RQ2 高阶QCD与电弱修正（N³LO、NNLO）如何影响HL-LHC及更远未来对顶夸克截面与耦合测量的精度？
• RQ3 通过前向区域顶夸克与重味产生过程的微分测量，PDF不确定性可降低到何种程度？
• RQ4 未来对撞机通过顶夸克耦合对新物理（特别是味改变中性流与接触相互作用）的敏感性如何？
• RQ5 为何环形轻子对撞机（FCC-ee）在顶夸克质量与耦合测定方面优于直线对撞机（ILC），其优势源于对强耦合常数更强的约束？

主要发现

• 在340 GeV能量下运行的环形轻子对撞机（FCC-ee）可实现子50 MeV的顶夸克质量精度，显著优于HL-LHC的约500 MeV目标。
• 在FCC-hh上，顶夸克Yukawa耦合可实现1.0%的测量精度，优于HL-LHC预期的2–4%，这需要高能轻子或强子对撞机。
• 右旋顶-W与顶-Z耦合可在FCC-ee与ILC 500上以低于0.01 TeV⁻²的不确定性被探测，从而实现对新物理模型的敏感检验。
• 味改变中性流（FCNC）耦合如$ tZu $与$ t\bar{u}\tilde{\nu} $可在轻子对撞机上探测至10⁻⁶分支比水平，超越强子对撞机的探测能力。
• 四顶夸克耦合$ c_{tt} $可在FCC-hh上被约束至0.024 TeV⁻²，优于HL-LHC的0.6 TeV⁻²，表明对新物理的敏感性显著增强。
• 通过前向重味测量降低PDF不确定性至关重要，因为目前其主导了顶对产生过程中的理论不确定性。