LHC顶夸克对产生中不可见粒子的量子探针

中文摘要 AI 辅助

在LHC上，顶夸克对产生提供了一个双部分自旋系统，其关联性印记在衰变产物的角分布中，并可通过量子信息工具进行研究。我们研究这种自旋结构是否可用于探测$pp\to t\bar t+X$中的不可见新物理，其中$X$是由顶夸克亲和的简化暗物质模型所启发的自旋0或自旋1中介子。聚焦于高亮度LHC的双轻子道，我们比较了包含事件产额、可见不变质量分布、纠缠标记$D$的事件级估计量以及作为可见不变质量函数的保真自旋关联$\mathcal{D}$的灵敏度。我们发现，保留自旋信息的可观测量相对于仅利用速率和运动学信息，提高了预期的排除灵敏度，其中$\mathcal{D}(M_{t\bar t}^{\rm vis})$对两种中介子自旋都提供了最强的探测能力。同样的可观测量也增强了对自旋零中介子的标量和赝标量耦合的区分能力，$\mathcal{D}(M_{t\bar t}^{\rm vis})$再次提供了最强的灵敏度，特别是在较大的中介子质量下。这些结果表明，$t\bar t$系统的量子信息启发的可观测量可以成为探测不可见新物理的存在及其与顶夸克耦合结构的有效工具。

英文摘要

Top-quark pair production at the LHC provides a bipartite spin system whose correlations are imprinted in the angular distributions of the decay products and can be studied with quantum-information tools. We investigate whether this spin structure can be used to probe invisible new physics in $pp\to t\bar t+X$, where $X$ is a spin-0 or spin-1 mediator motivated by top-philic simplified dark-matter models. Focusing on the dileptonic channel at the High-Luminosity LHC, we compare the sensitivity of the inclusive event yield, the visible invariant-mass distribution, an event-level estimator of the entanglement marker $D$, and the fiducial spin correlation $\mathcal{D}$ measured as a function of the visible invariant mass. We find that observables retaining spin information improve the expected exclusion sensitivity with respect to rate and kinematic information alone, with $\mathcal{D}(M_{t\bar t}^{\rm vis})$ providing the strongest reach for both mediator spins. The same observables also enhance the discrimination between scalar and pseudoscalar couplings of the spin-zero mediator, with $\mathcal{D}(M_{t\bar t}^{\rm vis})$ again providing the strongest sensitivity, particularly at larger mediator masses. These results show that quantum-information-motivated observables of the $t\bar t$ system can be efficient tools to probe both the presence of invisible new physics and the structure of its couplings to top quarks.

发表机构

• Barcelona Supercomputing Center（巴塞罗那超级计算中心）
• Universitat de Barcelona（巴塞罗那大学）
• Institut de Física d’Altes Energies（高能物理研究所）
• The Barcelona Institute of Science and Technology（巴塞罗那科学技术研究所）
• Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats（加泰罗尼亚研究与高等教育机构）

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