ILCにおけるトップ対生成閾値領域での研究 (M1 小澤清明)

2015年7月21日
東北大学　修士１年
小澤清明
1
標準模型の中で一番重い素粒子。次の性質を持つ。
Ø 
エネルギースケールが大きいため漸近自由性から摂動計算
が可能である。
Ø 
寿命が短くハドロン化前に弱い相互作用によって崩壊する。
u 
他のクォークと違い裸のクォークの性質を検証できる
e−
*
t
トップ対生成反応
e+
_
t
2
トップ閾値領域で決められるパラメーターは
次の４つ。
ü 
ü 
ü 
ü 
トップの質量(mt)
湯川結合(yt)
トップの崩壊幅(Γt、正確にはVtb)
強い相互作用の結合定数(αs)
これらのパラメーターから新物理の探索ができる。
特にトップの質量は理論的にwell-definedな質量を得ること
ができるので、ヒッグス質量と共に真空の安定性に言及できる。
3
トップから検証するパラメーターはトップの閾値付近での測定に
よって求めることができる。ILCでトップの閾値の検証から以下
の方法を用いパラメーターを求める。
l 
l 
断面積測定→mt, Γt, yt
トップ対生成の前後非対称性→Γt, αs
この２つのシミュレーション研究はILCの環境で行われている。
新たに
u 
トップの運動量測定→Γt, αs
上記の三つの測定を組み合わせて四つのパラメーターを正確
に決定する。
4
トップ対生成の断面積はトップの質量、崩壊幅、湯川
結合、強い相互作用の結合定数等に依存する。
σ=
N0 −NB dσtt
ϵL
dPt
mt
12π
Q2
(33−nf ) ln( Λ
QCD
σtt ∝ f (mt , Γt , yt , αs )
Γt
)
5
e−
*
t
h
e+
_
t
対生成されたトップ対の間
でヒッグスが交換され断面
積が上昇する。
ヒッグスの交換が起きない断
面積からの上昇幅を測るこ
とで湯川結合を計測する。
6
閾値付近ではトップ対がS共鳴と
P共鳴の状態を取り得て、それら
の共鳴の幅はΓtとαsに寄る。
崩壊の際にS共鳴とP共鳴の干渉
が起こり、前後非対称性が生じる。
干渉の大きさは共鳴状態の
overlapに寄るため、Γtとαsに敏
感である。
共鳴の間隔：αs
干渉の大きさ：Γt
7
√
−NB dσtt
s σ 運動量と　の依存性をグラフにしてΓ
= N0ϵL
dPt σtt ∝ (mt , Γt , yt , αs )
tとαsを求める。
運動量を測定することで以下のグラフが作れると予想される。
αs
グラフの幅:Γtの関数
ピーク位置:αsの関数
Γt
この測定と他の測定の数値を合わせて精度を上げたい
8
崩壊分岐比
トップはほぼ100%bクォークとWボソンに崩
壊する。
Wボソンの崩壊過程の中で確立の高い２つ
をシミュレーションで再構成して検証する。
b
6-jet
t
45%
4-jet
44%
2-jet
11%
b
4-jet
q
W
6-jet
l=e,μ
t
W
_
t
W
l
q
_
t
q
W
q
q
q
b
b
9
u 
u 
運動量の大きい荷電ト
ラックの周りにコーンを作
り、そのコーン中のエネ
ルギーの大きさによって
孤立レプトンかどうか識
別する。
コーンエネルギーはシャ
ワーを起こしやすい粒子
由来であれば大きくなる。
よって孤立レプトン由来
であればコーンエネル
ギーは小さくなる。
ジェット由来
孤立レプトン由来
10
ニュートリノは透過性が
高く、検出器で捉える
ことが難しい。
既知であるe-e+の四元
b
b
運動量からニュートリノ
以外の粒子の運動量
を引いてニュートリノの
エネルギーを求める。
b
e−
W
t
+
e
_
t
l
q
W
q
b
Pν＝ Pe++Pe−
− (Pb+Pb+Pq+Pq+Pl)　11
ボトムクォークとWボゾンの再構成からトップ
クォークを再構成する。
u  もっともよいジェットの組み合わせを選ぶため
にχ2を次のように定義してχ2が最小になる
√ 組み合わせを探す
√
√
N −N
dσ
x sσ=
σtt ∝ f ( s, mt , Γt , yt , αs , mh )
u 
τ
χ26−Jet
χ24−Jet
0
B
ϵL
=
(mt −m3jet )2
2
σm
t
=
(mt −m3jet )2
2
σm
t
αs (Q2 ) =
tt
dPt
+
(mt −m3jet′ )2
2
σm
t
+
(mt −mj+l+ν )2
2
σm
t
12π
2
(33−nf ) ln( Λ Q
QCD
+
(mw −m2jet )2
2
σm
w
+
+
(mw −m2jet′ )2
2
σm
w
(mw −m2jet )2
2
σm
w
)
12
u 
トップ運動量のシミュレーション研究からΓtとαsを
得る。
ビームの広がりによる系統誤差が支配的なので、
系統誤差の見積もり
u  各測定結果を合わせることで精度よくパラメーター
の数値を求める。
u 
13
14
√ √
τ x sσ=
αs (Q2 ) =
N0 −NB dσtt
ϵL
dPt
12π
Q2
(33−nf ) ln( Λ
QCD
)
σtt ∝ (mt , Γt , yt , α
Q：運動量
nf:フレーバー数
ΛQCDはαsが発散するエネルギースケール。摂動計算
はαsで展開するので、エネルギースケールがΛQCDより
充分大きいとαsが小さくなり、摂動計算が可能になる。
15
X=mw/mt
f1L:Wと左巻き粒子の相互作用
f1R:Wと右巻き粒子の相互作用
f2L:新粒子と左巻き粒子の結合、SMで禁止された結合
f2R:新粒子と右巻き粒子の結合、SMで禁止された結合
SMではf1L＝1、f1R＝f2L＝f2R＝0
16
√ √
τ x sσ=
χ26−Jet
=
N0 −NB dσtt
ϵL
dPt
(mt −m3jet )2
2
σm
t
+
√
σtt ∝ f ( s, mt , Γt , y
(mt −m3jet′ )2
2
σm
t
+
(mw −m2j
2
σm
w
(mt −mj+l+ν )2
(mt −m3jet )2
(mw −m
2
以下の式が最小になる組み合わせを同じ粒子由来としてみなす
χ4−Jet =
+
+
2
2
2
σm
σm
σm
t
Yij =
w
t
2min(Ei ,Ej )(1−cosθij )
2
Evis
Ei,Ej:粒子i,jのエネルギー
αs (Q2 ) =
θij :粒子i,jの成す角
Evis :可視エネルギー
12π
2
(33−nf ) ln( Λ Q
QCD
)
17
主な背景事象は以下の3つ
q
e−
q
Z*
q
Z
e+
e−
q
h
e
q
e−
e+
q
Z*
W
W
q
+
e
q
q
q
18