[论文解读] Top Physics at the LHC

C. Weiser|ArXiv.org|Jun 10, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文概述了大型强子对撞机（LHC）上的顶夸克物理计划，重点在于利用 $t\overline{t}$ 和单顶夸克事例对顶夸克质量、产生性质及耦合进行精确测量。结果表明，利用 10 fb$^{-1}$ 数据，可实现约 1–2 GeV 的顶夸克质量测量精度；$t\overline{t}$ 事例可用于喷流能量标度和 b 价标记的探测器校准，同时也为通过关联的 $ttH$ 产生过程发现轻希格斯玻色子提供了路径。

ABSTRACT

Top quark physics will be a prominent topic in Standard Model physics at the LHC. The enormous amount of top quarks expected to be produced will allow to perform a wide range of precision measurements. An overview of the planned top physics programme of the ATLAS and CMS experiments at the LHC is given.

研究动机与目标

• 利用 ATLAS 和 CMS 实验在 LHC 上建立全面的顶夸克物理计划。
• 利用 $t\overline{t}$ 事例实现约 1–2 GeV 精度的顶夸克质量测量。
• 通过单顶夸克产生精确测定 CKM 矩阵元 $|V_{tb}|$。
• 利用 $t\overline{t}$ 事例对喷流能量标度和 b 价标记效率进行探测器内校准。
• 探索 $ttH$ 产生在发现轻希格斯玻色子及测量顶-希格斯汤川耦合方面的潜力。

提出的方法

• 使用半轻衰变 $t\overline{t}$ 事例（$t\overline{t} \to b\overline{b}l\nu q\overline{q}$），通过孤立轻子、缺失横向能量及至少四个喷流进行顶夸克质量重建。
• 应用 W 玻色子质量的约束，以减少顶夸克质量测量中对轻喷流能量标度不确定性的敏感度。
• 利用 b-喷流标记技术识别顶夸克衰变产物，并在重建过程中抑制组合背景。
• 通过分析 $t\overline{t}\gamma$ 事例中光子横向动量谱或半轻衰变中的喷流电荷估计器，测量顶夸克电荷。
• 通过顶夸克静止参考系中轻子与 W 玻色子之间的夹角 $\Theta^{*}_{l}$，研究 W 玻色子螺旋度分数。
• 利用完全重建的 $t\overline{t}$ 系统，在 $ttH$ 事例中识别来自希格斯玻色子衰变的 b-喷流，以实现希格斯耦合测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LHC 上利用 $t\overline{t}$ 事例能否实现约 1–2 GeV 精度的顶夸克质量测量？
• RQ2 能否通过 $t\overline{t}\gamma$ 事例或喷流电荷估计器明确确定顶夸克电荷？
• RQ3 $t\overline{t}$ 事例对通过共振 $t\overline{t}$ 质量态探测新物理的敏感度如何？
• RQ4 $ttH$ 产生能否用于发现轻希格斯玻色子并测量顶-希格斯汤川耦合？
• RQ5 如何利用 $t\overline{t}$ 事例在探测器内校准喷流能量标度和 b 价标记效率？

主要发现

• 在累积 10 fb$^{-1}$ 的亮度后，顶夸克质量可实现约 1–2 GeV 的测量精度，主要受限于 b-喷流能量标度等系统不确定性。
• 半轻道道提供了最具前景的顶质量测量路径，因其分支比有利且触发效率高。
• 双轻道道和完全强子道道的顶质量精度可达到约 2–3 GeV，尽管后者因 QCD 背景过高而实验上具有挑战性。
• 通过 $J/\Psi$ 标记的半轻道道方法对喷流能量标度几乎不敏感，预计在约 100 fb$^{-1}$ 后统计不确定性约为 1 GeV。
• 纵向 W 玻色子螺旋度分数 $h_W(0)$ 在 10 fb$^{-1}$ 后可实现约 0.045 的联合统计与系统不确定性。
• 通过 W-胶子融合产生的单顶夸克可实现 $|V_{tb}|$ 的测定，统计不确定性约 0.4%，在 30 fb$^{-1}$ 后达到，受限于理论和亮度不确定性。