[论文解读] Same sign top-pairs in a non-universal Z' model at the LHC

Sudhir Kumar Gupta|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了在非普遍 $Z^{\backprime}$ 模型中，通过一种味改变的 $Z^{\backprime}$ 规粒子，在大型强子对撞机（LHC）上通过同号轻子终态产生同号顶夸克对的过程。结果表明，结合 $M_{T_2}$ 辅助的壳上重建方法与角分布分析，可实现对顶夸克质量及 $Z^{\backprime}$ 自旋的测量，LHC 在 14 TeV 能量下、10 fb$^{-1}$ 亮度时的灵敏度可达 $g_X \sim 5 \times 10^{-3}$，从而为直接探测 $Z^{\backprime}$ 耦合提供有效手段。

ABSTRACT

We analyse same sign dilepton signatures in a non-universal flavor changing Z' model. These arise due to tt (or t_bar t_bar) production processes due to the semi-leptonic decays of (anti)tops. We also discuss top reconstruction and spin measurement using the variable MT2 and MT2-Assisted On-Shell (MAOS) Momentum} techniques and will also provide a comparison with the on-shell mass relation method. Sensitivities to the flavor-changing top coupling has also been estimated for different LHC energies and projected LHC luminosities corresponding to them.

研究动机与目标

• 研究在大型强子对撞机（LHC）上，通过非普遍 $Z^\prime$ 模型中的味改变 $Z^\prime$ 规粒子产生同号顶夸克对的过程。
• 评估利用 $M_{T_2}$ 和 MAOS 技术进行顶夸克重建与自旋测量的可行性。
• 估算在不同质心系能量与亮度条件下，LHC 对 $Z^\prime$-顶夸克耦合 $g_X$ 的探测灵敏度。
• 探讨 $R_t = \sigma_{\bar{t}\bar{t}} / \sigma_{tt}$ 比值作为与 $Z^\prime$ 质量无关的 $Z^\prime$ 质量探测工具的作用。

提出的方法

• 通过一个包含 $\eta_{31} \neq 0$ 的 $3\times3$ 耦合矩阵，建模右手中性 $Z^\prime$ 对顶夸克与上夸克的相互作用。
• 利用 CTEQ6L1 部子分布函数与 $\mu_R = \mu_F = \sqrt{\hat{s}}$ 计算 $tt + \bar{t}\bar{t}$ 产生过程的总截面。
• 采用 $M_{T_2}$ 和 MAOS 动量技术，从同号轻子终态中重建顶夸克质量。
• 利用顶夸克在部分子质心系中的角分布，探测 $Z^\prime$ 规粒子的自旋与手征性。
• 通过要求每个亮度点至少有 5 个信号事例来估算 LHC 的探测灵敏度，投影结果涵盖 $\sqrt{S} = 7, 10, 14$ TeV 与 $\mathcal{L} = 10$ fb$^{-1}$ 的情况。
• 应用 NNLO-NLL QCD K 因子（来自 Kidonakis:2003sc），将截面向上调整约 20%。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC 上通过 $tt$ 与 $\bar{t}\bar{t}$ 产生的同号轻子末态，能否探测到顶夸克的味改变 $Z^\prime$ 耦合？
• RQ2 在 $Z^\prime$ 介导的过程中，$M_{T_2}$ 与 MAOS 技术在重建顶夸克质量方面有多高效？
• RQ3 在 $tt$ 质心系中，顶夸克的角分布能否区分 $Z^\prime$ 规粒子的自旋与手征性？
• RQ4 在不同能量与亮度下，LHC 能探测到的最小 $Z^\prime$-顶夸克耦合 $g_X$ 是多少？
• RQ5 $R_t = \sigma_{\bar{t}\bar{t}} / \sigma_{tt}$ 比值是否能提供一种与耦合强度及 QCD 修正无关的 $Z^\prime$ 质量探测手段？

主要发现

• $M_{T_2}$ 辅助的壳上（MAOS）动量技术在重建顶夸克质量方面，与基于壳上质量关系的方法精度相当，但 $M_{T_2}$ 略优，因其所需信息更少。
• 比值 $R_t = \sigma_{\bar{t}\bar{t}} / \sigma_{tt}$ 与 $Z^\prime$ 耦合 $g_X$ 及 QCD/电弱修正无关，使其成为 LHC 上探测 $m_{Z^\prime}$ 的稳健手段。
• 在 $tt$ 质心系中，顶夸克的角分布随 $m_{Z^\prime}$ 增大而呈现递减的凹陷，有助于识别 $Z^\prime$ 质量并证实其为矢量粒子的性质。
• 在 $\sqrt{S} = 14$ TeV 与 $\mathcal{L} = 10$ fb$^{-1}$ 条件下，LHC 可探测到的 $Z^\prime$-顶夸克耦合下限为 $g_X \sim 5 \times 10^{-3}$，灵敏度随 $1/\sqrt{\mathcal{L}}$ 提高。
• 引入 NNLO-NLL QCD K 因子后，截面提升约 20%，使得在给定 $m_{Z^\prime}$ 下，最小可探测的 $g_X$ 降低约 1.1 倍。
• 当 $m_{Z^\prime} = 300$ GeV 时，同号轻子信号在 $g_X \sim 0.01$ 下仍具有可观测性；当 $m_{Z^\prime} = 1.2$ TeV 时，$g_X \sim 0.2$ 时信号率仍可探测，表明在 LHC 上具有可观测的产生率。