[论文解读] Top Couplings: pre-Snowmass Energy Frontier 2013 Overview

J. Adelman, B. Álvarez González+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 62被引用 8

一句话总结

本文全面概述了大型强子对撞机（LHC）上顶夸克耦合的研究进展，重点聚焦于顶夸克与W、Z、光子及希格斯玻色子相互作用的测量结果与未来前景。文章详细阐述了理论预测与第一轮运行（Run 1）的实验结果，强调了产生产率与极化分析作为探测顶夸克耦合的关键手段，预计高亮度LHC数据将使标准模型的精确检验及新物理的探索成为可能。

ABSTRACT

Overview on top couplings measurements is presented, and the prospects of future measurements are discussed. The coupling of top to the W boson can be examined either by looking at the decay of the top quark or from single top quark production. With the advent of high statistics top physics at the LHC and at the high-luminosity LHC, the processes where the bosons (photon, Z and Higgs) are produced in association with top quarks become accessible. The first evidence on the coupling of the top quark to these particles will come from the production rate.

研究动机与目标

• 总结大型强子对撞机上顶夸克耦合的当前实验与理论状态。
• 评估顶夸克产生与衰变过程对标准模型之外新物理的敏感性。
• 概述高亮度LHC下未来测量前景，特别是顶夸克与Z玻色子、光子及希格斯玻色子耦合的测量潜力。
• 评估顶夸克极化与喷注多重性在探测Wtb顶点结构中的作用。
• 比较蒙特卡罗模拟与数据，以验证顶夸克与喷注及矢量玻色子关联产生过程的理论预测。

提出的方法

• 使用MCFM中的下一阶微扰量子色动力学（NLO QCD）计算，预测作为质心系能量函数的顶夸克截面。
• 通过归一化角分布分析顶夸克衰变的角分布以提取W玻色子螺旋态分数：$\frac{1}{N}\frac{dN}{d\cos\theta_{e}^{*}} = \left[\frac{3}{4}\sin^{2}\theta_{e}^{*}F_{0} + \frac{3}{8}(1-\cos\theta_{e}^{*})^{2}F_{L} + \frac{3}{8}(1+\cos\theta_{e}^{*})^{2}F_{R}\right]$，其中$F_0 = \frac{m_t^2}{m_t^2 + 2M_W^2}$。
• 使用贝叶斯与正则化去卷积技术，将CDF、ATLAS与CMS的实验数据与蒙特卡罗生成器（Powheg、MadGraph、MC@NLO、Herwig）进行比较，以校正探测器效应。
• 利用二维似然判别器与事例级喷注多重性分布，在轻子+喷注与双轻子通道中测量$t\bar{t}+j$截面。
• 评估$t\bar{t}+H$与$t+H$产生截面，指出后者存在显著的理论抵消，可能对新物理敏感。
• 使用事例级校正与响应矩阵，将数据与预测进行比较，识别出MC@NLO低估喷注多重性的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过顶夸克衰变极化测量，当前实验对顶夸克与W玻色子耦合的约束条件是什么？
• RQ2 与NLO QCD预测相比，$t\bar{t}+\gamma$、$t\bar{t}+Z$与$t\bar{t}+H$的产生率如何？这些结果揭示了关于顶夸克耦合的哪些信息？
• RQ3 Powheg、MadGraph与MC@NLO等蒙特卡罗生成器在多大程度上准确描述了数据中$t\bar{t}+j$的喷注多重性分布？
• RQ4 为什么$t+H$产生截面具有重要意义？其与预测抵消的偏离可能暗示新物理的存在吗？
• RQ5 在$t\bar{t}$事例中喷注多重性分布如何约束QCD动力学本质与探测器建模？

主要发现

• 使用定义1（至少一个未匹配的粒子喷注）测量的$t\bar{t}+j$截面为$\sigma_{t\bar{t}j} = 102 \pm 2~{\rm(stat.)}^{+23}_{-25}~{\rm(syst.)}$ pb，与总$t\bar{t}$截面的比值为$0.54 \pm 0.01~{\rm(stat.)}^{+0.05}_{-0.08}~{\rm(syst.)}$。
• ATLAS与CMS测量的$t\bar{t}$+喷注喷注多重性分布与Powheg+Pythia及MadGraph+Pythia结果一致，但与MC@NLO结果不符，后者预测喷注数量更少且喷注更软。
• CMS测量的$\sigma(t\bar{t}bb)/\sigma(t\bar{t}jj)$比值为$3.6 \pm 1.1~{\rm(stat.)} \pm 0.9~{\rm(syst.)}$%，显著高于NLO预测的1.2–1.3%。
• $t+H$产生截面因顶夸克与W玻色子发射图幅之间的理论抵消而极小，使其对可能改变顶-希格斯耦合符号的新物理极为敏感。
• CDF与ATLAS测量的$t\bar{t}+\gamma$截面表明，包含顶衰变产物中光子辐射的NLO QCD修正对与数据一致至关重要。
• $t\bar{t}+Z$与$t+Z$的产生率对顶-Z耦合及味改变的中性流敏感，对顶夸克中性流衰变的限制进一步约束了此类耦合。