[论文解读] W polarization in $e^+e^-$, gluon-gluon and $γγ o W t\bar b $ for testing the top quark mass structure and the presence of final interactions

Fernand M. Renard|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文研究了在 $e^+e^-$、胶子-胶子以及 $γγ\to Wt\bar{b}$ 过程中纵向 W 玻色子的极化，以探测与尺度相关的顶夸克质量 $m_t(s)$ 及最终态 $Wt$ 相互作用（例如来自暗物质环境的相互作用）。结果表明，$W_L$ 极化率对这些效应非常敏感，为 $Z$ 玻色子研究提供了补充探测手段，表现为角分布中的可观测偏差以及在 $m_t(s)$ 或最终态相互作用下的速率抑制。

ABSTRACT

We analyze the $Wt\bar b$ production processes and especially the rate of longitudinal $W$ polarization sensitive to a possible top quark mass scale dependence and to the presence of strong final state $Wt$ interactions for example generated by a dark matter environment. We give illustrations for the three processes $e^+e^-$, gluon-gluon and $γγ o W t\bar b $.

研究动机与目标

• 将先前对 $Z$ 玻色子纵向极化的研究所覆盖的范围扩展至带电费米子过程，利用 $Wt\bar{b}$ 产生过程。
• 检验与尺度相关的顶夸克质量 $m_t(s)$ 是否会在 $W_L$ 极化率中引起可测量的变化。
• 评估最终态 $Wt$ 相互作用（可能源自暗物质环境）对 $W_L$ 产生率的影响。
• 比较 $e^+e^-$、$gg$ 和 $\gamma\gamma$ 过程中 $W_L$ 极化的敏感性，以识别最优的实验探测方式。
• 证明即使在 $m_b$ 依赖性极低的情况下，$W_L$ 率仍对新物理效应敏感。

提出的方法

• 使用标准模型中的 $Wt\bar{b}$ 产生振幅，并与相应的 $G^{-}t\bar{b}$（戈尔登玻色子）振幅进行比较，以确立基线行为。
• 引入一个用于尺度依赖顶夸克质量的测试函数：$m_t(s) = m_t \frac{m_{th}^2 + m_0^2}{s + m_0^2}$，以模拟亚结构或新物理效应。
• 应用一个最终态相互作用因子 $[1 + C(s_{Wt})]$，其中 $C(x) = 1 + \frac{m_t^2}{m_0^2} \ln\left(-\frac{x}{(m_W + m_t)^2}\right)$，以建模来自暗物质或类似环境的 $Wt$ 相互作用。
• 对 $\sqrt{s} = 5$ TeV 下的三种过程（$e^+e^-$、$gg$ 和 $\gamma\gamma\to Wt\bar{b}$）进行数值模拟，重点关注 $W_L$ 极化率 $R_L = \sigma(W_L t\bar{b}) / \sigma_{\text{total}}$。
• 在不同过程中比较结果，以评估角依赖性和对新物理的敏感性差异。
• 使用示意性参数如 $m_0 = 2, 4$ TeV 和 $m_0 = 0.5$ TeV，以展示定性效应，而不假设特定模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $e^+e^-$、$gg$ 和 $\gamma\gamma\to Wt\bar{b}$ 过程中，纵向 $W$ 极化率能否探测到与尺度相关的顶夸克质量 $m_t(s)$？
• RQ2 最终态 $Wt$ 相互作用（如来自暗物质环境的相互作用）如何改变 $W_L$ 极化率？
• RQ3 $Wt\bar{b}$ 过程中 $W_L$ 极化的敏感性与 $Zt\bar{t}$ 过程中 $Z_L$ 极化的敏感性相比如何？
• RQ4 $e^+e^-$、$gg$ 和 $\gamma\gamma$ 初始态下 $W_L$ 率的角依赖性和能量依赖性有何差异？
• RQ5 $Wt\bar{b}$ 过程能否作为 $Zt\bar{t}$ 过程的补充探测手段，用于检验标准模型之外的新物理？

主要发现

• $W_L$ 极化率 $R_L$ 在用尺度依赖的 $m_t(s)$ 取代顶夸克质量时会下降，且在角分布中可观察到明显效应，尤其在 $e^+e^-$ 碰撞的低角度区域。
• 通过 $C(s_{Wt})$ 建模的最终态 $Wt$ 相互作用会导致 $W_L$ 率的可测量变化，其效应定性相似但定量上小于 $Zt\bar{t}$ 情况。
• $\gamma\gamma\to Wt\bar{b}$ 过程由于自 gauge 耦合而表现出独特的角分布和形状特征，提供了对新物理效应的独立敏感性。
• $gg\to Wt\bar{b}$ 过程的定性行为与 $e^+e^-$ 相似，但横向 $W_T$ 贡献减少，因此对 $m_t(s)$ 和 $Wt$ 相互作用的敏感性更直接。
• 即使在 $m_b$ 依赖性可忽略的情况下，$W_L$ 率仍对 $m_t(s)$ 敏感，证实其作为顶夸克结构探测工具的有效性。
• 本研究证明，$Wt\bar{b}$ 过程可作为 $Zt\bar{t}$ 过程的补充且信息丰富的探测手段，用于检验顶夸克动力学中的新物理。