[论文解读] Special features of heavy quark-antiquark pair production ratios at LHC

Matteo Beccaria, F. M. Renard+1 more|ArXiv.org|May 5, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出在LHC上测量底夸克-反底夸克与顶夸克-反顶夸克对产生截面之比作为一项理论上稳健的可观测量，该可观测量可抑制主导的QCD不确定性，同时增强电弱Yukawa效应，特别是在超对称场景中。该比值表现出可测量的、与tanβ相关的效应——最大可达±10%——在实验精度为百分之几时即可被探测到，为标准模型之外的虚超对称贡献提供了一条清晰的探测路径。

ABSTRACT

We consider the ratio of the cross section of production of heavy bottom-antibottom pairs ($σ_{b\bar b}$) to the cross section of production of top-antitop pairs ($σ_{t\bar t}$) at LHC. We show that in this ratio a major fraction of virtual contributions (including QCD components) disappears, leaving a residual dominant electroweak Yukawa effect that might be strongly enhanced in the presence of supersymmetry. A quantitative numerical analysis of the size of the effect is also performed under the assumption of a relatively light supersymmetric scenario.

研究动机与目标

• 识别LHC上一种理论可观测量，以最小化精确测量中主导的QCD理论不确定性。
• 探讨重夸克-反夸克对产生截面之比是否能增强通常被高阶QCD修正所掩盖的电弱超对称效应。
• 评估通过一种部分抵消实验系统误差的比值可观测量探测虚超对称贡献的可行性。
• 证明即使在抑制QCD虚修正之后，比值 $ R_{b,t}(s) $ 仍保有显著的、与 $ \tan\beta $ 相关的电弱Yukawa效应。

提出的方法

• 本文定义比值 $ R_{b,t}(s) = \frac{d\sigma(PP \to b\bar{b} + \dots)/ds}{d\sigma(PP \to t\bar{t} + \dots)/ds} $，比较底夸克对与顶夸克对的不变质量分布。
• 采用部分子分布函数和亮度函数计算截面，重点关注LHC能量下主导的胶子-胶子初态过程。
• 理论计算包括QCD和电弱修正，特别关注MSSM中与 $ \tan\beta $ 相关的Yukawa型贡献。
• 分析中仅保留来自夸克-反夸克初态的电弱修正（包括Yukawa项），排除QCD修正以隔离电弱信号。
• 数值结果计算于 $ \sqrt{s} = 0.7 $ 和 1 TeV，其中 $ p_{T,\text{min}} = 10 $ GeV，$ m_t = 173.8 $ GeV，$ m_b = 4.25 $ GeV。
• 研究比较了胶子-胶子主导近似与更完整处理包含夸克-反夸克初态及其电弱修正的情形，结果在关键效应上保持一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，底-反底与顶-反顶对产生截面之比是否能抑制主导的QCD理论不确定性，同时增强电弱Yukawa效应？
• RQ2 在超对称场景中，该比值的电弱Yukawa贡献如何依赖于 $ \tan\beta $ ？
• RQ3 该比值在多大程度上能实现实验系统误差的抵消，从而提高对虚超对称效应的探测灵敏度？
• RQ4 在包含夸克-反夸克初态及其电弱修正的更完整处理中，主导Yukawa效应的大小和符号是否与胶子-胶子主导近似下的结果不同？
• RQ5 该比值能否作为一项干净的探针，以百分之几的实验精度探测虚超对称贡献？

主要发现

• 比值 $ R_{b,t}(s) $ 抑制了大部分虚QCD贡献，留下主导的残余电弱Yukawa效应，对超对称敏感。
• 该比值中的Yukawa效应在小 $ \tan\beta \sim 10 $ 时振荡至约+10%，在大 $ \tan\beta \sim 50 $ 时降至-5%，信号显著且可观测。
• 当比较胶子-胶子主导近似与更完整处理（包含夸克-反夸克初态及其电弱修正）时，该效应保持稳健且几乎相同。
• 比值显著降低了来自QCD的理论不确定性，使其成为探测虚超对称效应的有前途可观测量。
• 在实验精度达到百分之几水平时，该比值中清晰的电弱效应可被分辨，从而可开展针对超对称的专门搜索。
• 该比值中理论与实验不确定性的普遍抵消机制预计在更复杂的超对称场景中（超出所用简化模型）依然成立。