[论文解读] The Phenomenology of Single Top Quark Production at the Fermilab Tevatron

Tim M. P. Tait, C.–P. Yuan|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 1997

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 10

一句话总结

本文研究费米实验室 Tevatron 对撞机上的单顶夸克产生过程，重点关注两种主要机制：t-通道 W-胶子融合与 s-通道 W* 交换。研究证明，这些过程对新物理的探测方式不同：W* 对重带电共振态（如 W′）敏感，而 W-胶子融合则能探测到顶夸克耦合的修改，包括味改变的中性流。作者提出比值 R = σ_Wg / σ_W* 作为评估测量 CKM 矩阵元 V_{tb} 置信度的诊断工具。

ABSTRACT

Single top quark production at the Fermilab Tevatron Run II (a p \bar{p} collider with \sqrt{S} = 2 TeV) proceeds dominantly via two sub-processes, a t-channel W-gluon fusion process, and an s-channel W^* process. We show that these two sub-processes have different sensitivities to new physics effects in the top quark's electro-weak interactions. The W^* process is sensitive to new heavy charged resonances, such as a W' boson, while the W-gluon fusion process is more sensitive to modifications to the top's interaction, including flavor-changing neutral currents involving the top quark. We examine the implications of these results on our ability to measure V_{tb} with confidence, and propose a quantity R = σ_{Wg} / σ_{W^*}, which may be studied in order to characterize the confidence one may place upon a given measurement of V_{tb} from single top production.

研究动机与目标

• 分析费米实验室 Tevatron 在 Run II 期间单顶夸克产生的主要机制。
• 评估这些产生通道在顶夸克电弱相互作用中对新物理效应的敏感性差异。
• 评估从单顶夸克产生中测量 CKM 矩阵元 V_{tb} 的可靠性。
• 提出一个可观测的比值 R = σ_Wg / σ_W*，作为 V_{tb} 测定置信度的诊断工具。

提出的方法

• 在 √S = 2 TeV 条件下，通过 t-通道 W-胶子融合和 s-通道 W* 交换过程建模单顶夸克产生。
• 利用量子场论和 QCD 修正计算两种次过程的截面。
• 通过引入修改顶夸克耦合的有效场论算符，评估对新物理的敏感性。
• 评估假设的重带电共振态（如 W′）对 W* 过程的影响。
• 通过有效相互作用分析涉及顶夸克的味改变中性流。
• 定义并分析比值 R = σ_Wg / σ_W*，作为 V_{tb} 测定可靠性的探针。

实验结果

研究问题

• RQ1 t-通道 W-胶子融合与 s-通道 W* 过程在顶夸克电弱相互作用中新物理敏感性方面有何不同？
• RQ2 W* 过程在多大程度上能探测到如 W′ 玻色子等重带电共振态的存在？
• RQ3 W-胶子融合过程在何种方式下对顶夸克相互作用的修改（包括味改变中性流）敏感？
• RQ4 比值 R = σ_Wg / σ_W* 如何反映从单顶夸克产生中测量 V_{tb} 的置信度？
• RQ5 这两种次过程的相对截面能否作为识别标准模型之外新物理的诊断工具？

主要发现

• s-通道 W* 过程由于依赖于虚 W* 交换，对新重带电共振态（如 W′ 玻色子）敏感。
• t-通道 W-胶子融合过程对顶夸克耦合的修改（包括味改变中性流）更敏感。
• 比值 R = σ_Wg / σ_W* 是一个可观测量，能反映从单顶夸克产生中测量 V_{tb} 的置信度。
• 本文确立了 V_{tb} 测量具有模型依赖性，而 R 可帮助区分新物理效应与标准模型贡献。
• 截面比值 R 对新物理和顶夸克耦合修改均敏感，使其成为未来实验中宝贵的可观测量。