[論文レビュー] Probing a pseudoscalar at the LHC in light of $R(D^{(*)})$ and muon g-2 excesses

Lei Wang, Jin Min Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、トップクォークのフラバー変換中性荷電現在を伴う二重ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を提案し、$R(D^{(*)})$ およびミュオンの $g-2$ 異常を同時に説明する。質量20–150 GeVの準スカラー $A$ が $t \to Ac$ からの崩壊で主に $\tau\bar{\tau}$ に崩壊することを特定し、13 TeV LHCで30 fb$^{-1}$のデータでこの状況はほとんど排除可能であり、100 fb$^{-1}$では完全に排除可能であることを示している。

ABSTRACT

We study the excesses of $R(D^{(*)})$ and muon $g-2$ in the framework of a two-Higgs-doublet model with top quark flavor-changing neutral-current (FCNC) couplings. Considering the relevant theoretical and experimental constraints, we find that the $R(D^{(*)})$ and muon $g-2$ excesses can be simultaneously explained in a parameter space allowed by the constraints. In such a parameter space the pseudoscalar ($A$) has a mass between 20 GeV and 150 GeV so that it can be produced from the top quark FCNC decay $t o A c$. Focusing on its dominant decay $A o τ\barτ$, we perform a detailed simulation on $pp o t\bar{t} o Wb Ac o jjbcτ\barτ$ and find that the $2σ$ upper limits from a data set of 30 (100) fb$^{-1}$ at the 13 TeV LHC can mostly (entirely) exclude such a parameter space.

研究の動機と目的

• 同一の理論的枠組み内で $R(D^{(*)})$ およびミュオンの $g-2$ 異常を同時に説明すること。
• 20 GeVから150 GeVの間の質量を有する準スカラー粒子 $A$ が、これらの異常を媒介する可能性を検討すること。
• 詳細なシミュレーションを通じて、LHCにおける $pp \to t\bar{t} \to WbAc \to jjbc\tau\bar{\tau}$ の信号の検出可能性を評価すること。
• 精密電弱データ、$B$ メソンの崩壊、$\tau$ メソンの崩壊、およびトップ・ヒッグス探索からの理論的および実験的制約を適用すること。
• 実際の積分光度データセットを用いて、両方の異常と整合するパラメータ空間をLHCがどの程度排除できるかを特定すること。

提案手法

• ソフトに破壊された $Z_2$ 対称性を有する二重ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を定式化し、$t \to Ac$ を通じたトップクォークのフラバー変換中性荷電現在（FCNC）を導入する。
• 精密電弱データ、$B$ メソンの崩壊（$R(D^{(*)})$）、$\tau$ メソンの崩壊、およびトップクォーク・ヒッグス探索からの制約を適用して、パラメータ空間を制限する。
• 信号過程 $pp \to t\bar{t} \to WbAc \to jjbc\tau\bar{\tau}$ とバックグラウンド過程（$t\bar{t}$、$Z+b\bar{b}/c\bar{c}$、$tZ$）のモンテカルロシミュレーションを実施する。
• トップクォーク（$m_{j_c\tau\tau}$）、$W$ ボソン（$m_{j_1j_2}$）、および $b$-ジェット系（$m_{j_bj_1j_2（}$）の再構成質量に基づく $\chi^2$ 最小化手法を用いた運動量再構成技術を適用し、信号イベントを同定する。
• 選別カットを適用：2つの $b$-タグ付きジェット、$\chi^2_{\text{min}} < 6$、および $m_A$ の再構成は $M_{\tau\tau}$ を用い、低 $m_A$ の感度を最適化する。
• 系統的不確実性 $\varepsilon = 20\%$（30 fb$^{-1}$）および $10\%$（100 fb$^{-1}$）を考慮した信号の有意性を $\mathcal{S} = n_s / \sqrt{n_b + (\varepsilon n_b)^2}$ で計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMにトップクォークのFCNC結合を組み込んだ場合、$R(D^{(*)})$ およびミュオンの $g-2$ 異常を同時に説明できるか？
• RQ2 すべての実験的および理論的制約を満たしつつ、これらの異常を媒介する準スカラー $A$ の許容される質量範囲は何か？
• RQ3 13 TeVのLHCで30 fb$^{-1}$および100 fb$^{-1}$の積分光度を用いた場合、$pp \to t\bar{t} \to WbAc \to jjbc\tau\bar{\tau}$ の信号をLHCがどの程度効率的に検出できるか？
• RQ4 異なる $m_A$ 値に対して、LHCのデータが $2\sigma$ 上限として除外できる $\text{Br}(t \to Ac)$ のブランチ比の上限は何か？
• RQ5 $M_{\tau\tau}$ および $m_{j_c\tau\tau}$ を用いた $m_A$ の運動量再構成は、信号感度をどの程度向上させるか？

主な発見

• $R(D^{(*)})$ およびミュオンの $g-2$ 異常は、準スカラー $A$ が20 GeVから150 GeVの間の質量を有する限り、2HDMにトップのFCNC結合を組み込んだモデルで同時に説明可能である。
• 準スカラー $A$ は $t \to Ac$ を通じて生成され、主に $\tau\bar{\tau}$ に崩壊する。有効なパラメータ空間では、$t \to Ac$ のブランチ比は1%から16%の範囲にある。
• 13 TeVで30 fb$^{-1}$のデータセットでは、$2\sigma$ 上限がほとんどすべての有効なパラメータ空間を排除可能であり、$m_A = 20$ GeV または $m_A = 150$ GeV 付近にわずかに残存する領域を除いては、ほぼ完全に排除可能である。
• 100 fb$^{-1}$のデータセットでは、$2\sigma$ 上限が両方の異常と整合するすべての有効なパラメータ空間を完全に排除可能である。
• 信号の有意性の計算から、選別後における $t\bar{t}$ 戦断は61.3 fbにまで低下し、バックグラウンド寄与は $Z+b\bar{b}/c\bar{c}$ で0.12 fb、$tZ$ で0.03 fbであった。
• $m_{j_c\tau\tau}$、$m_{j_bj_1j_2}$、$m_{j_1j_2}$ を用いた $\chi^2$ 最小化による運動量再構成は、特に低 $m_A$ 時に信号同定を顕著に向上させる。