24
Top Quarks and New Physics James Wells PASCOS, July 2011 aps.org 1

Top$Quarks$ and$New$Physics$

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Top  Quarks  and  New  Physics  

James  Wells  PASCOS,  July  2011  

 aps.org  

1  

Page 2: Top$Quarks$ and$New$Physics$

top  quark  special  

2  

*  Most  massive  and  strongly  interacHng  with  EWSB  *  Flavor  physics  and  other  tests  not  as  stringent  as  lighter  flavors  –  opportuniHes  for  discovery  *  Tevatron  "anomaly"  with  AFB(tops)  –  we  will  discuss  this  –  LHC  now  over  4x  number  of  tops  

Page 3: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Top  Asymmetry  at  the  Tevatron  

3  

p   pbar  

t  

tbar  

θ

Assuming  CP    which  implies   where  

Page 4: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Standard  Model  PredicHon  

4  

Asymmetry  arises  at  αs3  order.  

(Close  analogy  with  QED  α3  asymmetry,  Berends  et  al.  1973)  

Interference  of  ISR  with  FSR:  

Interference  of  box  with  tree:  

AFB(th)  =  3.8  +-­‐  0.6  %  

Page 5: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Tevatron  Measurement  

5  

Ref:  CDF  note  10436,  9724  

Page 6: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Large  BSM  contribuHon  difficult:    Illustrate  with  Axigluons  

6  

So-­‐called  chiral  color  theories  of  various  origins.  

SU(3)L  x  SU(3)R    breaks  to    SU(3)c  Leaving  8  massive  axigluons.  Coupling  is  QCD  strength  but  with  γ5  

Problem  is  the  asymmetry  goes  wrong  way!  

AFB  =  -­‐  0.13  for  mA  =  1  TeV  

Limit  on  pure  axigluon  from  AFB(t)  may  be  stronger  than  from  direct  searches.  

Page 7: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Try  more  general  gV-­‐gA  couplings  

7  

Ferrario,  Rodrigo,    0809.3354  

x  

Pure  axigluon  coupling  (large  negaHve  contribuHon  to  AFB)  

Couplings  are  with  respect  to  the  QCD  gauge  coupling.  

x  

This  point  looks  good!  

Page 8: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Top  cross-­‐secHon  constraint  

8  

x  Consistency  with  total  rate  is  ok.  

Ferrario,  Rodrigo,    0809.3354  

Page 9: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Generic  Problem:  Difficulty  with  differenHal  cross-­‐secHon  

9  

Red  line:  MX=1.2  TeV  gV=1.65  gA=1.55  

Data  from  CDF,  “Measurement  of  the  mbar  differenHal  cross  secHon  …  in  2.7  o-­‐1  of  CDF  II  Data”,  CDF  note  9602  (11  Nov  08).  

ICHEP  2010  

Page 10: Top$Quarks$ and$New$Physics$

s-­‐channel  “fixes”  –  very  challenging  

For  s-­‐channel  colored  and  parity-­‐violaHng  and  flavor-­‐diagonal  Z’/axigluon:  

Have  Z’/axigluon  couple  with  to  uubar  and  mbar  with  opposite  sign    -­‐>  posi%ve  asymmetry  

Have  Z’/axigluon  mass  be  greater  than  1  TeV  -­‐>  keep  direct  rate  down  

Have  Z’/axigluon  couple  with  less  magnitude  to  uubar  than  mbar    -­‐>  keep  direct  qqbar  dijet  rate  much  lower  than  9bar  rate  

Hard  to  make  it  all  fit  together  with  AFB>10%  and  evade  Tevatron  &  LHC  bounds.  

LHC  would  find  it  already/soon.        See  Y.  Bai  et  al.  1101.5203  

10  

Page 11: Top$Quarks$ and$New$Physics$

AFB  from  t-­‐channel  physics  

11  Jung,  Murayama,  Pierce,  JW  [0907.4112]  

Page 12: Top$Quarks$ and$New$Physics$

V’  contribuHons  to  Wjj  

12  

D0  not  seeing  it  –  resoluHon  in  the  works  

CDF:  256  +-­‐  57  events  in  ~  150  GeV  jj  mass  peak  in  4.3  o-­‐1  

Page 13: Top$Quarks$ and$New$Physics$

AFB  and  inclusive  mbar  at  the  LHC  

13  

*  

*  

*  is  a  choice  of  MZ’  mass  and  αX  compaHble    with  AFB  and  σ(mbar)  

Jung,  Pierce,  Murayama,  JW,  ‘09  

Page 14: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Like-­‐sign  top  quarks  

14  

In  most  basic  V’-­‐u-­‐t  or  V’-­‐d-­‐t  models,  there  is  nothing  to  prevent  the  producHon  of  like-­‐sign  top  quarks.  

CMS  [1106.2142]  

These  two  applicable  if    MZ'  >  Mt  

Page 15: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Like-­‐sign  top  quarks  (cont.)  

15  

CMS  [1106.2142]  

EssenHally  all  simple  t-­‐channel  AFB  ideas  are  ruled  out.  

σ(pp-­‐>m(j))  <  17  pb    at  95%  CL  

Page 16: Top$Quarks$ and$New$Physics$

More  “complicated”  t-­‐channel  physics  

16  

Basic  s-­‐channel  and  basic  t-­‐channel  explanaHons  of  AFB  are  not  working,  for  different  reasons.  

s-­‐channel  looks  more  problemaHc  to  salvage  than  t-­‐channel  ideas.  

Two  t-­‐channel  ideas:  

•  Non-­‐abelian  horizontal  symmetry:  Jung,  Pierce,  JW,  ’11  •  Top  quark  condensate  theories:  Cui,  Han,  Schwartz,  ‘11  

Page 17: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Non-­‐abelian  Extension  

17  

Put  (t  b)R  together  in  an  SU(2)  doublet.    W’+  and  W’-­‐  raises  and  lowers  “top  number”  Z’  does  not  change  “top  number”  

Thus,  it  is  the  W’  bosons  that  are  exchanged  in  t-­‐channel  to  produce  the  large  asymmetry  

Difference  of  W’  and  Z’  masses  allows  mismatch  between  couplings  to  quark  gauge  and  mass  eigenstates:  c=cos(θ)  

Page 18: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Like-­‐sign  top  signal  is  safe  for  now  

18  

The  conservaHon  of  “top  number”  forbids  like-­‐sign  top  quark  producHon  

However,  violaHons  of  “top  number”  come  from  the  small  mismatch  angle  θ  between  gauge  and  mass  eigenstate  quark  interacHons  with  the  SU(2)’  bosons.  

Processes  such  as  uu  -­‐>  m  are  forbidden  to  order  sin2θ  

Example  benchmark  points  

Small  θ  angle  allows  W'  to  decay  to  uubar  over  tubar  

*

Page 19: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Constraints  on  model  

19  

LHC  7  TeV  predicHon:  

AFB=15%  for  A,B,C  

Jung,  Pierce,  JW,  1103.4835  

Page 20: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Single  Top  ProducHon  

20  

Jung,  Pierce,  JW,  in  preparaHon  

u  

g   t  t  

V'   j  

j  

b  

ν

e,µ

Page 21: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Top  Condensate  Theories  

21  

Page 22: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Top  condensate  parameter  space  compaHbility  

22  

Cui,  Han,  Schwartz,  ‘11  

Page 23: Top$Quarks$ and$New$Physics$

Conclusions  

23  

AFB(tops)  currently  shows  tension  with  the  SM  

CompaHbility  with  other  top  quark  observables  (like-­‐sign  tops,  invariant  mass  distribuHon,  total  rate,  single  top,  etc.)  is  challenging.  

ResulHng  theories  are  ones  that  would  have  never  been  considered  otherwise.  

AFB(tops)  may  be  correlated  with  Wjj  excess  seen  at  Tevatron,  although  not  necessary  and  D0  does  not  see  this  excess.  

CriHcal  updates  of  Tevatron  analyses:  AFB(tops),  Wjj  and  single  top  especially.  

LHC  analyses  to  look  for:  dσ/dMmbar  and  single  top  especially.  AFB(tops)  less  likely  to  show  deviaHons  at  this  early  stage.  

Careful:  some  analyses  will  not  collect  new  physics  contribuHons.    See  next  slide  

Page 24: Top$Quarks$ and$New$Physics$

24  

q  

bso�  

W  

t  

q'  

g   b  

This  is  targeted,  largest  contribuHon  to  single  top  in  SM  

CMS  analysis:  blj    +  MET  for  SM  signature  ("2D  analysis")  and  maybe  one  extra  b  ("BDT")  

g   t  t  

V'   j  b  

ν

e,µ

u   j  

New  Physics:  same  signature  except  one  extra  non-­‐b  jet.  

b  

ν

e,µ

Standard  Model  

New  Physics