[論文レビュー] Flavor changing neutral currents in top quark production and decay

E. Yazgan|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、効果的場理論を用いて結果を解釈する手法を用いて、テバトロンおよびLHCにおけるトップクォークのフレーバー変換中性荷電現在（FCNC）のモデルに依存しない探索を提示する。顕著な信号は観測されなかったが、分岐比（例：B(t→Zq) < 0.05%）および結合強度について95%信頼水準のきつい上限が設定された。将来のLHCランでは感度が1桁向上すると予想される。

ABSTRACT

Top quark flavor changing neutral current (FCNC) interactions are highly suppressed in the Standard Model. Therefore, any large signal of FCNCs will indicate the existence of new interactions. In this paper, searches for FCNC interactions in top quark production and decay at the Tevatron and LHC are presented. FCNC searches in $t ightarrow qZ$ and $t ightarrow Hq$ decays, and in top quark production in $pp ightarrow t+j$, $pp ightarrow t+Z$ are summarized. Effect of top quark FCNCs on single top quark cross-section, and the searches for same-sign top quark pair production through FCNCs are also described. None of the searches yielded positive results and exclusion limits on branching rations, coupling strengths and cross-sections are obtained. Future prospects of FCNC searches are also briefly discussed.

研究の動機と目的

• テバトロンおよびLHCにおけるトップクォークの崩壊および生成過程におけるフレーバー変換中性荷電現在（FCNC）の探索を目的とする。
• トップクォーク質量よりも高いスケールに新しい物理があると仮定し、効果的場理論を用いてFCNC結合のモデルに依存しない上限を設定することを目的とする。
• t→Zq、t→Hq、t→γqといった希少なトップクォーク崩壊を通じて、標準模型を超える新しい物理の存在を探る。
• FCNCがシングルトップクォーク生成断面積および同じ電荷のトップクォーク対生成に与える影響を評価することを目的とする。
• 14 TeVのLHCにおける将来のランで、感度がどのように向上するかを予測することを目的とする。

提案手法

• 次元5のオペレーターを用いた効果的場理論ラグランジアンを用いて、トップクォークの崩壊および生成におけるFCNC相互作用を記述する。
• √s = 7–8 TeVおよび1.96 TeVの陽子-陽子および陽子-反陽子衝突データを、ATLAS、CDF、CMS、D0共同研究の結果を用いて分析する。
• 最終状態として二レプトン、三レプトン、二光子チャンネルを用い、トップクォークの運動量再構成を実施する。
• 信号のシミュレーションにはモンテカルロ法（MadGraph + Pythia）を用い、バックグラウンド推定にはデータ駆動型手法を適用する。
• t→qZおよびt→Hqチャンネルにおける信号の識別を高めるために、多変量解析（BDT）を適用する。
• 最大尤度フィットを用いて信号の有意性を抽出し、分岐比および結合強度の上限を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCおよびテバトロンのデータから、分岐比B(t→Zq)の現在の95%信頼水準の上限は何か？
• RQ2 実験的結果は、H→γγおよびH→WW*崩壊モードにおけるt→cH崩壊の有効結合強度をどの程度制限するか？
• RQ3 FCNC相互作用は、シングルトップクォークtチャネル断面積にどの程度の影響を与えるか？また、既存のデータは、それらの効果を標準模型と区別できるか？
• RQ4 Z'ボソンを介した同じ電荷のトップクォーク対生成に関する除外限界は何か？また、トップクォークの前後方向非対称性を説明するモデルをどのように制限するか？
• RQ5 将来の14 TeV LHCランでは、どのようにしてトップクォークのFCNC過程に対する感度が向上するか？

主な発見

• B(t→Zq)の最もきつい95%信頼水準の上限は0.05%であり、これはCMSが8 TeVで19.7 fb⁻¹のデータを7 TeVおよび8 TeVのデータと組み合わせて得たものである。
• H→γγモードを伴うt→cH崩壊では、観測された95%信頼水準の分岐比上限は0.83%であり、λtcH結合の上限は0.17である。
• CMS共同研究は、複数のヒッグス崩壊モード（WW*、ττ、ZZ*）を統合し、B(t→cH)の95%信頼水準の上限を1.28%に設定した。
• 同じ電荷のトップクォーク対生成に明確な証拠は得られなかった。ATLAS共同研究は、右-右のヘリシティ構成に対してσ(pp→tt) < 0.21 pbの95%信頼水準の上限を設定した。
• グルーオンおよびZボソンを介するFCNCの結合強度の上限は、κgut/Λ < 0.10 TeV⁻¹、κgct/Λ < 0.35 TeV⁻¹、κzut/Λ < 0.45 TeV⁻¹、およびκZct/Λ < 2.27 TeV⁻¹である。
• 将来の予測では、14 TeVのデータ300 fb⁻¹を用いることで、ATLASはB(t→qZ) > 2×10⁻⁴を除外できると予想し、CMSは95%信頼水準でB(t→qZ) < 10⁻⁵に到達すると予想される。