单一顶级窗口重夸克和其他新物理

文摘

本文的研究电弱单顶夸克的生产可以告诉我们关于额外的夸克,以及如何区分新的夸克假说从其他类型的新物理。我们也提出了一些新的研究,首次成为可能由于大数据的单顶夸克在LHC产生。

1。介绍

顶夸克是最重的基本粒子发现到目前为止,在许多方面,这是一个非常不寻常的夸克。事实上,其电弱衰变速度比hadronization时间表意味着只顶夸克的存在作为一个自由夸克,以便从新的物理影响出现明显通过比较测量与精确的标准模型(SM)的预测。而对产生过程(几年前)已进入“精密物理,”这项研究的领域单生产,2009年开始发现在万亿电子伏(1,2),到目前为止是有限的。其最终状态的复杂性要求一个好的实验仪器的控制,和其他(包括SM流程)提供了一个压倒性的背景。

单顶夸克的“重新发现”生产的大型强子对撞机(LHC)与早期7 TeV数据的一个重要里程碑阿特拉斯(3)和CMS (4实验,现在努力的最终精度和完整的覆盖所有生产渠道在7 TeV和8 TeV。Tevatron和大型强子对撞机碰撞给访问不同混合物的电弱单流程:声道输出,声道输出的生产(数据1(一)和1 (b)在7 TeV)贡献不均匀(65 pb和4.6 pb、职责)比在1.96 TeV (2 pb和1 pb)相关的生产(,图1 (c)),几乎是无法在LHC Tevatron成为第二大贡献者(15 pb)。SM单一的特征上生产大型强子对撞机,Tevatron缺席,顶部和antitop生产之间的不对称声道输出(43和23个pb在7 TeV)声道输出(3.1和1.4 pb在7 TeV)。的第一个证据生产报告的阿特拉斯合作(5),其次是CMS (6),使用7 TeV数据。两个测量systematics-limited,到达水平需要聪明的分析改进和更精确的约束的主要系统误差(有关建模,在CMS的情况下标记效率)。

ATLAS和CMS记录超过57 TeV的pp碰撞由LHC在2011年期间,和相同数量的运行在几个月内已经达到8 2012年TeV。重要的改进声道输出截面测量7 TeV [7,8),第一个测量声道输出截面TeV[8点9,10)已经由合作。第一个8点交叉s-ction测量TeV预计很快。signal-to-background比例从7到8 TeV的改善生产,其截面预计将增加40%,声道输出增加了35%,而对包容性增长20%生产和25%过程()。的声道输出的横截面,相反,仅增加了20%。可能没有利用大型强子对撞机分析是利用不同的依赖这些过程的能量,例如,通过同时7和8 TeV数据符合比率限制SM的期望。

表1显示状态的艺术的理论预测和实验测量截面的三个生产机制。图2显示了横截面的依赖声道输出的生产中心物质能源。这是唯一的单顶截面测量三中心物质能量的过程。

其余的阐述了研究单独的属性产生顶夸克可以告诉我们关于物理以外的SM,尤其关注它可以告诉我们关于新重夸克。部分2讨论了最直接的联系单前研究和新的顺序夸克代,即提取从单一截面在某些假设,批判性地讨论。部分3致力于单一极化,的一个关键的特征SM声道输出的生产也将适用与包容的顺序夸克代模型可以是一个强大的鉴别器对其他形式的新物理。部分4阐述了更一般的哪一种新的物理可以怀疑的情况下不同模式的偏离SM预期的相空间采样单上分析,自底向上的方法。最后,部分5没有提到一些单上签名,在SM。

2。单,

通常,一个顶部截面测量纸的推理结束间隔对应于测量截面,在简化假设下,无论价值观,关系和适用。也隐含的假设是纯粹的左撇子耦合(即。,left-handed and right-handed helicity fractions)。表2显示了间隔由Tevatron和大型强子对撞机实验中提取这些假设,没有统一性和约束。从单一最高最精确的测定8]相对精度达到最好的源自于分支比,在那里(11),这是解释为在相同的假设(,因此,可以用来推断直接只有额外的假设是实施)。

一些文件(12- - - - - -14)检查如何修改单个顶截面的假设下额外的与已知up-type夸克,夸克混合,因此违反统一性的组件的扩展CKM矩阵。虽然之和更不必说了,和注定是≤1也在扩展矩阵,限制吗和来自精密物理在SM的假设不成立。因此,与普遍的直觉相反,额外的夸克代可能导致一个增强,不仅一定是赤字,单一大截面声道输出,产品,由于大型帕顿的密度和夸克质子(更大的比密度),导致一个放大的效果或值大于SM期望,可以克服由于较小的赤字。

参考文献(13,14)执行的运动产生更少的依赖于模式的限制所有的三个重新审视测量矩阵元素的单一截面和发表。这通常强加一些近似和快捷键,没有对原始数据的访问。一个特别棘手的重新解释是单身前分析基于多元技术,因为几个输入变量是相关的运动学重建顶夸克,和选择本身的喷气假定来自顶夸克的衰减是由假设它是一个飞机,因此。因此,重要的是实验合作开展这样一个锻炼自己,以最小的模型依赖每一阶段的分析,可能训练多元鉴别器不同场景。

3所示。从角可见可以学到什么

顶夸克的一个重要属性是它的生命周期较短的比量子色退相干时间尺度(前,两个数量级后者),导致其衰变产物保留内存的螺旋性。这提供了额外的强大的工具在寻找新物理单一研究:单生产- - -声道输出的收益率100%极化顶夸克只要涉及电弱相互作用(仅保持真实如果扩展夸克的SM是一个连续的新的家庭),而不同的新的物理模型产生不同的偏振。与本文相关的事实,提示的新物理学的单一部门,观察或不是SM-like(即。,close to 100%) polarization of the top quark would discriminate between a trivial extension of the SM with additional quarks and other models.

角分布的一般形式()的衰变产物(在顶夸克rest框架 在哪里是一个顶级极化(由于生产顶点)沿某一方向选择使量子化旋转顶部,然后呢是spin-analysing权力具体带电轻子衰变粒子(最大的(20.,21),也喜欢在这种研究的识别清洁电子和μ介子)。这两个参数影响顶夸克异常联轴器(20.]。

单偏振的声道输出的过程已经显现的斜率分布(见图3丰富的选择声道输出的事件,从(8]),被定义为带电轻子之间的角度和轻型飞机()重建顶夸克rest框架。这个定义的基本原理是,(光)夸克反冲对单一顶夸克往往有一个方向平行于自旋方向顶夸克的生产顶点(21]。SM的期望甚至被内置在最早的截面测量的基础在大型强子对撞机22)的使用分布符合SM信号(这是命名为“2 d分析”(22),是基于可能适合二维的分布()飞机。在同一篇论文中,这是一个适合结合的结果提高了决策树的地方是一个在许多输入)和隐式假设的一部分所有Tevatron的多元分析和大型强子对撞机。执行是至关重要的横截面和公正的精密测量解耦测量问题SM-like组件从寻找新物理。这是简单的一步cut-based分析或简单的策略的”分析”(8,10)((8利用三个互补的分析策略,其中两个是多元分析),多亏了小和计算之间的相关性和,同时更要注意多变量分析,几个输入可见与偏振相关。一个有前途的方法在这种情况下是正交化的使用技术,如“降低”23),确保使用的MVA鉴别器事件选择是不相关的。

其他角变量可以定义在单个顶事件的目的是测量顶夸克的极化model-independent方式(见,例如,27])。几个角可见可以有用,单独或组合,由于敏感的螺旋性状态从上腐烂,约束的参数最一般的拉格朗日术语,可以写的耦合到六维表不变的运营商(28](下近似): SM的预测。D0协作已限制了这些参数的神经网络分析结合几个角和运动学输入,与不同的网络训练每个异常参数的非零值和(29日]。由于中心物质能量越高,考虑到新的物理效应将进入生产顶点,大型强子对撞机实验预计偏差的SM更加敏感。同时测量截面和广义的参数将有助于消除耦合简化假设隐含在(2)。

4所示。赤字和过度:一个自底向上的方法

超越标准模型预测不同的影响在不同生产渠道12]。在这里,我们列出几个例子,推理在自底向上方法中,也就是说,从可能的观测的赤字或过度推断模型(包括SM本身)可以提供最自然的解释。(我)赤字在所有三个通道自然会导致怀疑(因此新的夸克的存在);这可以通过精确测量验证在事件;(2)过量的其他两个声道输出,没有证实,会引起怀疑一个带电谐振(例如,一个右撇子,其耦合光费米子将由螺旋性保护和抑制,因此,是可见的最终状态,而不是在电子或μ介子衰变),这将是证实了峰值或peak-dip结构光谱;(3)过量的声道输出,而不是确认在其他两个,可能是由于新的相互作用导致flavour-changing中性电流(FCNCs):即使很小和联轴器,非常大的上夸克密度高在质子将允许一个可见的信号显示;重要的检查将差动测量和单一极化;(iv)过量的声道输出,通道,没有偏离的SM顶夸克的极化和赤字声道输出可能是由于大或(nonunitarity CKM矩阵,因此可能存在的新的夸克),通过测量检查和。

其中的一些新的物理效应声道输出,生产可能会模仿胶子或差异夸克pdf逍遥法外,因此它必须能够排除这种可能性,额外的专用的输入。精密测量的三种生产模式产生深刻影响PDF格式的限制,三个通道是相互互补,也生产。例如,声道输出,截面是敏感的PDF和anticorrelated夸克横截面,声道输出(实质上是一个Drell-Yan过程)是不敏感的夸克PDF,因此可以作为控制过程,这是相关的横截面,如横截面(30.]。此外,集成或差动电荷不对称声道输出的生产将提供一个非常强大的输入限制pdf文档,类似生产的情况下,在一个地区非常相关的其他几个搜索。第一个测量集成电荷不对称(从阿特拉斯合作)31日在7 TeV)已经不偏重一些PDF集,如图4。微分分布速度的函数和横向顶夸克的动量将提供大量额外的辨别能力。约束pdf文档的另一个有用的输入是测量单一的比例最高7和8 TeV之间的截面,由CMS协作完成的声道输出的情况下通过的比率的结果分析这两个能量(10]。

5。异国情调的单上签名

而“声道输出,如“签名,如前所述4FCNC耦合,是敏感的和,也可以受到寻找和在pair-produced顶夸克衰变事件(搜索衰退已经由LHC合作在7 TeV [32,33]),“非常单一最高”的异国情调的签名(即。,一个partonic反应产生一个顶夸克,见图5)是迄今为止最强大的处理约束的FCNC耦合的背景,因为绝大SM衰变。提供和阿特拉斯合作执行一个搜索very-single-top最终状态(34,35,范围最严密的日期在7 TeV来自阿特拉斯: D0协作选择不同的策略,基于SM-like签名一个顶夸克与轻夸克(36)(签名一样声道输出的生产在SM)。与类似的集成光度CDF (2.3和2.2提供,他们获得了更严格的限制,证明“顶级+喷射”签名(主要是由quark-quark碰撞)比“very-single-top”签名更敏感Tevatron条件。然而,在大型强子对撞机能量胶子通量更激烈的比Tevatron相比夸克通量;因此,平衡很可能有利于“非常单一最高”(一个适当的比较,超出了本文的范围,需要考虑到任何影响容易增加飞机事件的多样性,如初始状态辐射和堆积)。

新物理学可以产生一个顶夸克与无形的粒子,因此大失踪横向能量(这签名是在文献中被称为“monotops”) (37),或一个在协会玻色子,进而可以给monotop签名(当玻色子衰变到一双中微子)或三轻子,壮观的最终状态b飞机和大型横向失踪的能量。没有实验合作出版了一本寻找这些最后的状态。它可以说,在这本书的上下文中致力于新的重夸克,这两个签名可以是生产重型向量顶夸克的合作伙伴,这将有FCNC衰变(38]。鉴于非常紧密的限制与SM-like耦合连续第四代,这些替代的探索新的夸克场景变得更加有趣,和单一生产动青睐在生产,尽管大量子色耦合,当夸克很重。

6。结论

单前最后的状态是一个重要的地方寻找新的重夸克的间接证据,和测量单个顶夸克的属性获得灵敏度至关重要非SM交互和了解一种新的物理手头的偏离SM假说。

确认

作者希望感谢侯巴黎Sphicas和乔治的建议,和支持这项工作的爱沙尼亚科学院研究员格兰特MTT59 Mobilitas顶部。

引用

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