[论文解读] Tevatron Top Quark Forward-Backward Asymmetry -- Implications for Same-sign Top Quark Pair Production

Edmond L. Berger|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 70被引用 3

一句话总结

本文研究了作为一种可能解释 Tevatron 顶夸克正向-反向不对称性的变味 $Z^\prime$ 玻色子，预测了在 LHC 上出现增强的同荷顶夸克对（$tt$）产生。CMS 在 7 TeV 下 35 pb$^{-1}$ 的数据排除了解释该不对称性所需的参数空间，使得最简单的 $Z^\prime$ 模型与观测结果不一致。

ABSTRACT

The forward-backward asymmetry for top quarks measured in proton-antiproton collisions at the Tevatron shows an interesting deviation from standard model expectations. Among possible interpretations, the exchange of a non-universal, flavor-changing $Z^\prime$ is of some interest as it naturally predicts a top quark in the forward region of rapidity. To reproduce the size of the Tevatron asymmetry, the couplings of the $Z^\prime$ to standard model quarks must be large, inevitably leading to production of same-sign top quark pairs at the Tevatron and at the Large Hadron Collider (LHC). We discuss the constraints on this model from (a) the Tevatron $t \bar{t}$ cross section, (b) the Tevatron $t \bar{t}$ invariant mass distribution, and the limits at the Tevatron on the same sign top quark pair cross section. We explore the discovery potential for $tt$ and $ttj$ production in early LHC experiments at 7 TeV and conclude that if a $tt$ signal is not observed with 1 fb$^{-1}$ of integrated luminosity, then a non-universal $Z^\prime$ alone cannot explain the Tevatron forward-backward asymmetry. Limits on the same sign cross section at the LHC from the CMS collaboration already disfavor this interpretation of the reported asymmetry.

研究动机与目标

• 解释超出标准模型预期的 Tevatron 上观测到的顶夸克正向-反向不对称性。
• 评估一种非普遍、变味的 $Z^\prime$ 玻色子作为该不对称性来源的可行性。
• 基于 Tevatron 约束，预测 LHC 上同荷顶夸克对产生率。
• 评估早期 LHC 运行中 $tt$ 和 $ttj$ 最终态的发现潜力。
• 检验顶夸克极化是否能够将此模型与其他新物理情景区分开来。

提出的方法

• 通过 $t$-通道 $Z^\prime$ 交换建模 $t\bar{t}$ 产生，设定 $f_L=0$ 以避免 $B_d$ 混合约束。
• 利用 Tevatron 上关于 $A_{\rm FB}$ 和 $t\bar{t}$ 总截面的数据，约束 $f_R$ 和 $m_{Z^\prime}$。
• 计算 LHC 上 $tt$ 和 $tt\bar{u}$ 产生的总截面，作为 $f_R$ 和 $m_{Z^\prime}$ 的函数。
• 应用运动学截断和重建技术，包括 MT2 方法，以识别 $t\to Wb$ 衰变并测量顶夸克极化。
• 利用壳条件重建中微子动量，以确定顶夸克静止参考系中带电轻子的角分布。
• 将预测的 $tt$ 和 $ttj$ 截面与 CMS 在 7 TeV 下 35 pb$^{-1}$ 数据的实验限制进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有右手中微子耦合的变味 $Z^\prime$ 玻色子能否解释 Tevatron 上顶夸克的正向-反向不对称性？
• RQ2 在此 $Z^\prime$ 模型下，LHC 上同荷顶夸克对产生（$tt$）的预测率是多少？
• RQ3 预测的 $tt$ 和 $ttj$ 产生率是否与现有的 LHC 实验限制（来自 CMS）一致？
• RQ4 能否通过测量 $tt$ 事例中顶夸克的极化来区分此模型与其他新物理情景？
• RQ5 是否可通过 $ttj$ 最终态重建 $Z^\prime$ 共振质量？

主要发现

• 具有大右手中微子耦合 $f_R$ 的 $Z^\prime$ 模型可在保持与 $t\bar{t}$ 总截面和不变质量分布一致的前提下，解释 Tevatron 的正向-反向不对称性。
• 由于 $uu$ parton 光度较大，该模型预测在 LHC 上出现显著的同荷顶夸克对产生，当 $m_{Z^\prime} \lesssim 1$ TeV 时，截面可达数 fb。
• CMS 在 7 TeV 下 35 pb$^{-1}$ 的数据在 95% 置信水平下排除了为解释 Tevatron 不对称性所必需的参数空间区域（$f_R \gtrsim 0.5$，$m_{Z^\prime} > 200$ GeV）。
• 在 $tt$ 事例中观测到的带电轻子 $\cos\theta$ 分布与右手中微子顶夸克极化的预期形式 $1+\cos\theta$ 相符，支持该模型的运动学特征。
• $ttj$ 最终态提供了一条通过顶夸克与喷注的不变质量重建 $Z^\prime$ 质量的潜在途径，尽管其产生率低于 $tt$。
• 早期 LHC 数据中未观测到 $tt$ 信号（积分亮度为 1 fb$^{-1}$）排除了简单 $Z^\prime$ 模型作为 Tevatron 不对称性完整解释的可能性。