[论文解读] Top-Quark Forward-Backward Symmetry

Susanne Westhoff|arXiv (Cornell University)|May 23, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文研究了具有非秩序味结构的Randall-Sundrum模型是否能解释在Tevatron上观测到的顶夸克正向-反向不对称性。尽管顶夸克与Kaluza-Klein胶子的耦合很强，但由于轻夸克在体中局域化，树图级不对称性被抑制；下一阶微扰修正部分解除了这种抑制，但被对称贡献过度补偿，导致相对于标准模型预测，不对称性净减少——这使得在此框架内增强不对称性成为不可能。

ABSTRACT

Top-quark pair production at the Tevatron is discussed within the Randall-Sundrum model of warped extra dimensions. Generically, the exchange of massive Kaluza-Klein gluons has the potential to generate a large forward-backward asymmetry. In models with an anarchic flavor structure, however, their coupling to the light quarks inside the proton is strongly suppressed. The consequent suppression of the asymmetry at tree level is lifted at next-to-leading order. Still, it is not possible to increase the forward-backward asymmetry with respect to the Standard-Model prediction in this framework.

研究动机与目标

• 评估具有非秩序味结构的Randall-Sundrum模型是否能产生大的顶夸克正向-反向不对称性。
• 分析Kaluza-Klein胶子交换在Tevatron上顶夸克对产生过程中的作用。
• 确定下一阶微扰修正是否能克服树图级不对称性的抑制。
• 评估该模型是否能解释CDF测量到的高质质量正向-反向不对称性中观测到的$3.2\sigma$过剩。
• 利用从$t\bar{t}$可观测量导出的有效场论参数约束该模型。

提出的方法

• 采用具有翘曲额外维度的Randall-Sundrum模型，通过费米子在体中的局域化来描述费米子质量层次。
• 使用有效场论方法，计算QCD下一阶微扰修正对$t\bar{t}$产生的修正，包括Kaluza-Klein胶子的贡献。
• 将正向-反向不对称性$A_{\rm{FB}}^{t}$定义为反称截面$\sigma_a$与对称截面$\sigma_s$的比值，即$\sigma_a / \sigma_s$，在$t\bar{t}$末态中。
• 应用对$\sigma_{t\bar{t}}$、$d\sigma_{t\bar{t}}/dM_{t\bar{t}}$和$A_{\rm{FB}}^{t}$的实验数据约束，提取有效耦合$\tilde{C}_{u\bar{u}}^{V}$和$\tilde{C}_{u\bar{u}}^{A}$的限制。
• 评估矢量和轴矢量耦合对不对称性的影响，特别是在高$M_{t\bar{t}}$区域和总截面中的作用。
• 将模型预测与CDF测量结果比较，以确定该框架内可实现的最大不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有非秩序味结构的Randall-Sundrum模型是否能通过Kaluza-Klein胶子交换产生大的顶夸克正向-反向不对称性？
• RQ2 尽管顶夸克与KK胶子的耦合很强，为何该模型中的树图级正向-反向不对称性被抑制？
• RQ3 在非秩序味设定下，下一阶微扰修正在多大程度上缓解了不对称性的抑制？
• RQ4 该模型能否解释观测到的高质质量正向-反向不对称性中$3.2\sigma$的过剩？
• RQ5 从$t\bar{t}$可观测量的全局拟合中，对有效矢量和轴矢量耦合有何约束？

主要发现

• 在非秩序味RS模型中，树图级正向-反向不对称性可忽略不计，这是由于KK胶子与轻夸克耦合被强烈抑制。
• 下一阶微扰修正产生电荷不对称贡献，但这些贡献被同时存在的树图级对称贡献过度补偿，从而归一化了不对称性。
• 结果是，正向-反向不对称性始终相对于标准模型预测值减小，仅由矢量贡献单独作用时，最大可实现值为$5.8\%$（95%置信水平）。
• 该模型无法解释实验观测到的实验室参考系中$15.0\pm 5.0\%$的不对称性，因为它预测的不对称性小于标准模型。
• 找到一个最优拟合点$(\tilde{C}_{u\bar{u}}^{A}, \tilde{C}_{u\bar{u}}^{V}) = (8.3, 1.4)$，要求在树图级存在大的轴矢量耦合，这在非秩序味设定中并不自然实现。
• 对于KK标度为$1\,\rm{TeV}$的情况，该模型对不对称性的修正仅为$-0.05\%$，确认其无法解释观测到的过剩。