[论文解读] Results on TOP physics from CMS

G. Krintiras|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 57被引用 3

一句话总结

本文全面回顾了大型强子对撞机（LHC）CMS实验在顶夸克物理方面的研究成果，重点聚焦于顶夸克产生截面、质量以及Yukawa耦合的精密测量。结果与标准模型（SM）高度一致，对标准模型之外的新物理进行了约束，并利用量子色动力学（QCD）中的下一阶微扰计算和先进实验技术，预测了在高亮度LHC（HL-LHC）及未来对撞机上的未来灵敏度。

ABSTRACT

After the discovery of the top quark more than 20 years ago, top quark production cross sections have been meticulously studied. The rich variety of results from the LHC experiments are complemented with increasingly accurate theoretical predictions of heavy quark production and decay. Measurements of the top quark production provide a benchmark test of perturbative quantum chromodynamics and the standard model (SM), constraining at the same time the background in Higgs boson searches as well as extensions beyond the SM. Recent top quark measurements from CMS are reviewed, illustrating past and current experimental methods along with their attained precision. A perspective of top quark physics at the High-Luminosity LHC and at future colliders is briefly given.

研究动机与目标

• 回顾并综合LHC CMS实验在顶夸克产生与衰变方面最新的精密测量结果。
• 评估顶夸克实验数据与标准模型的一致性，并对标准模型之外的新物理进行约束。
• 评估顶夸克物理在高能标下检验电弱对称性自发破缺与真空稳定性中的作用。
• 预测在高亮度LHC及未来对撞机上顶夸克质量与耦合测量的预期改进。

提出的方法

• 利用各种末态中顶夸克对和单顶夸克产生过程的总截面与微分截面测量。
• 应用先进的多变量分析技术，并通过原位测量的b夸克打标效率以减小系统不确定性。
• 采用下一阶微扰量子色动力学（NLO QCD）计算，精确建模信号与背景过程。
• 利用电弱精密数据与希格斯玻色子测量的全局拟合，提取对顶夸克质量的间接约束。
• 采用阈值扫描与顶夸克质量重建技术，探测顶夸克Yukawa耦合及其与希格斯场的关联。
• 利用HL-LHC与未来直线对撞机场景的模拟数据，预测未来实验的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用CMS实验数据，LHC上顶夸克质量与产生截面的测量精度如何？
• RQ2 顶夸克测量在多大程度上约束了高能标下希格斯玻色子自相互作用耦合与真空稳定性？
• RQ3 顶夸克衰变中味改变中性流的当前限制是什么？与标准模型预测相比如何？
• RQ4 顶夸克Yukawa耦合的精密测量在多大程度上约束了标准模型之外的新物理？
• RQ5 在高亮度LHC与未来对撞机上，顶夸克质量与耦合测量的不确定性将如何改善？

主要发现

• 测量得到的顶夸克质量与来自电弱精密数据的间接确定值高度一致，验证了标准模型的一致性。
• 预计在高亮度LHC上，顶夸克质量的不确定性将降至200 MeV，接近直线对撞机阈值扫描的精度。
• 在95%置信水平下，顶夸克Yukawa耦合与标准模型值之比的下限为1.9。
• 希格斯玻色子自相互作用耦合对顶夸克质量的微小变化敏感，±2 GeV的变动可使真空稳定性标度估计值变化数个数量级。
• 预测表明，未来实验可将顶夸克味改变中性流衰变的分支比约束在10^-3以下，显著优于当前限制。
• 测量得到的顶夸克产生截面与NLO QCD预测一致，不确定性主要由理论与实验系统性因素主导。