[論文レビュー] Large $t o cZ$ as a Sign of Vector-Like Quarks in Light of the $W$ Mass

Andreas Crivellin, M. Kirk+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ベクトル励起クォーク（VLQ）の署名としてトップクォークの崩壊 $t \to cZ$ を調査し、三つのVLQ表現 $U$、$Q_1$、$Q_7$ が、標準模型効果的場理論（SMEFT）への1ループ一致を介して、CDFが測定した大きな $W$ ボソン質量を同時に説明可能であり、それぞれ $10^{-6}$、$10^{-5}$、$10^{-4}$ の分岐比を生成できることを示している。

ABSTRACT

The rare flavour changing top quark decay $t o cZ$ is a clear sign of new physics and experimentally very interesting due to the huge number of top quarks produced at the LHC. However, there are few (viable) models which can generate a sizable branching ratio for $t o cZ$ -- in fact vector-like quarks seem to be the only realistic option. In this paper, we investigate all three representations (under the Standard Model gauge group) of vector-like quarks ($U$, $Q_1$ and $Q_7$) that can generate a sizable branching ratio for $t o cZ$ without violating bounds from $B$ physics. Importantly, these are exactly the three vector-like quarks which can lead to a sizable positive shift in the prediction for $W$ mass, via the couplings to the top quark also needed for a sizable Br($t o cZ$). Calculating and using the one-loop matching of vector-like quarks on the Standard Model Effective Field Theory, we find that Br($t o cZ$) can be of the order of $10^{-6}$, $10^{-5}$ and $10^{-4}$ for $U$, $Q_1$ and $Q_7$, respectively and that in all three cases the large $W$ mass measurement can be accommodated.

研究の動機と目的

• CDFが測定した大きな $W$ ボソン質量と、きわめてまれな崩壊 $t \to cZ$ の顕著な分岐比を同時に説明できる新たな物理モデルを同定すること。
• ベクトル励起クォーク（VLQ）が、$B$ 物理観測量に大きな寄与を及ぼさない状況で、木レベルのカップリングを通じて $t \to cZ$ を生成する役割を分析すること。
• VLQを標準模型効果的場理論（SMEFT）に1ループ一致させることで、$W$ ボソン質量と $t \to cZ$ 分岐比に与える影響を評価する。
• フレーバー変換型中性荷電現在（FCNC）の制約に違反しない範囲で、大きな $t \to cZ$ 分岐比を生成できるVLQ表現（$U$、$Q_1$、$Q_7$）を特定すること。
• $S$ および $T$ パラメータへのループ誘導寄与を通じて、観測された $W$ ボソン質量のずれが、これらのモデル内でどのように収容可能かを評価すること。

提案手法

• VLQを標準模型効果的場理論（SMEFT）に1ループ一致させ、ウィルソン係数 $C_{Hq}^{(1)}$、$C_{Hq}^{(3)}$、$C_{Hu}$、$C_{uH}$、$C_{HD}$、$C_{HWB}$ を計算すること。
• SMEFTラグランジアンを用いて、$t \to cZ$ および $t \to ch$ 崩壊振幅をウィルソン係数、特に $Z$ ボソンカップリングに寄与する $C_{Hq}^{(1)} - C_{Hq}^{(3)}$ および $C_{Hu}$ と関連付けること。
• $C_{HD}$ および $C_{HWB}$ を用いて、$W$ ボソン質量へのループ誘導寄与を計算し、$S$ および $T$ パラメータのずれを評価すること。
• 公式 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \approx 0.47 |\lambda_{tcZ}|^2$ を用いて、$\lambda_{tcZ}$ をSMEFT係数から導出し、分岐比の数値的評価を行うこと。
• $B$ 物理および $b \to s\ell\ell$ データからの制約を評価し、モデルの妥当性を保証すること。
• 精度見積もりの簡略化のため、CKM行列を単位行列とみなすことにより、主要な物理的性質を保持しつつ分析を簡素化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベクトル励起クォークは、$B$ 物理の制約に違反しない範囲で、きわめてまれな崩壊 $t \to cZ$ の顕著な分岐比を生成できるか？
• RQ2 どのVLQ表現（$U$、$Q_1$、$Q_7$）が、CDFによる $W$ ボソン質量測定と大きな $t \to cZ$ 確率を同時に説明できるか？
• RQ3 VLQからのループ補正は、SMEFTフレームワーク内での $W$ ボソン質量予測にどのように影響を与えるか？
• RQ4 VLQが $U$、$Q_1$、$Q_7$ の場合に、$\mathrm{Br}(t \to cZ)$ および $\mathrm{Br}(t \to ch)$ の定量的予測は何か？
• RQ5 $W$ ボソン質量の異常は、$t \to cZ$ を引き起こす同じ新しい物理セクター（VLQカップリングの共通集合）によって説明可能か？

主な発見

• ベクトル励起クォークの $U$ 表現は、$\mathrm{Br}(t \to cZ) \sim 10^{-6}$ の分岐比を生成可能であり、現在の実験的制約と整合している。
• $Q_1$ 表現は、より大きな分岐比 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \sim 10^{-5}$ を生成でき、将来的なLHC探索の範囲内にある。
• $Q_7$ 表現は最大の分岐比 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \sim 10^{-4}$ を生成し、観測の最も有望な候補である。
• $U$、$Q_1$、$Q_7$ の三つのVLQ表現すべてが、$S$ および $T$ パラメータへのループ補正を通じて $W$ ボソン質量のずれに正の寄与を示し、CDFの測定値を収容可能である。
• $t \to cZ$ 崩壊振幅は、主に $C_{Hq}^{(3)} - C_{Hq}^{(1)}$ および $C_{Hu}$ に支配されており、これらはVLQをSMEFTに1ループ一致させることで生成される。
• 関連する $Z$-クォークカップリングが特定のVLQに対して標準模型に近いまま保たれるため、危険なFCNCが抑制され、$B$ 物理の制約を満たすモデルは成立する。