[論文レビュー] Probing the Anomalous FCNC tqgamma Couplings at Large Hadron electron Collider

I. Turk Cakir, A. Yılmaz+4 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、大型ハドロン陽子衝突型加速器（LHeC）における過程 $e^{-}p \to e^{-}W^{\pm}q + X$ を通じて、トップクォークの異常なフラバー変換を伴う電磁中性現在（FCNC）カップリングを調査する。500 fb$^{-1}$ の光度と高速検出器シミュレーションを用い、$t \to c\gamma$ に対しては、前例のLHCおよびHERAの境界より1桁以上改善された3σ有意水準で $\lambda_u = 0.012$ および $\lambda_c = 0.032$ の上限を設定した。

ABSTRACT

We investigate the anomalous flavour changing neutral current (FCNC) interactions of top quark through the process $e^{-}p o e^{-}W^{\pm}q+X$. We calculate the signal and background cross sections in electron proton collisions at Large Hadron electron Collider (LHeC) with a 7 TeV proton beam from the LHC and a new 60 GeV electron beam from energy recovery linac (ERL). We study the relevant background processes including one electron and three jets in the final state. The distributions of the invariant mass of two jets and an additional jet tagged as $b$-jet are used to account signal and background events after the analysis cuts. We find upper bounds on anomalous FCNC couplings $λ$ of the order of $10^{-2}$ at LHeC for a luminosity projection of $100$ fb$^{-1}$ together with the fast simulation of detector effects. As a matter of interest, we analyze the sensitivity to the couplings $(λ_{u},λ_{c})$ and find an enhanced sensitivity to $λ_{c}$ at the LHeC when compared to the results from the HERA.

研究の動機と目的

• LHeCにおける電子-陽子衝突での異常なトップクォークFCNCカップリング $tq\gamma$ を探査すること。
• 標準模型を超える $t\to u\gamma$ および $t\to c\gamma$ からの崩壊に対するLHeCの感度を評価すること。
• クリーンな $ep$ 衝突環境を活用して、HERAおよびLHCからの既存の実験的境界を改善すること。
• 高速シミュレーションを用いて、検出器効果およびバックグラウンド過程が信号感度に与える影響を評価すること。
• HERAおよびLHCと比較して、LHeCの $\lambda_c$ に対する感度の優位性を強調すること。

提案手法

• 標準模型を超える新しい物理を記述するため、異常なFCNCカップリング $\lambda_q^{L,R}$ を持つ有効ラグランジアンフレームワークを用いる。
• 7 TeVの陽子ビームと60 GeVの電子ビームを用いたLHeCにおける過程 $e^{-}p \to e^{-}W^{\pm}q + X$ を分析し、1つの分離電子、2つのジェット、1つの$b$-ジェットを含む最終状態に注目する。
• 主なバックグラウンド $B1$（1つの電子、3つのジェット）と区別するため、2つのジェットおよび$b$-タグ付きジェットのインバリアント質量分布に分析カットを適用する。
• 検出器効果が信号およびバックグラウンドイベント再構成に与える影響を反映させるために、Delphesを用いた高速検出器シミュレーションを実施する。
• 1 fb$^{-1}$ から1 ab$^{-1}$ までの光度プロジェクションにわたって、$\chi^2$-ベースの有意水準推定法を用いて統計的有意水準（SS）および $\lambda_u$、$\lambda_c$ の上限を計算する。
• $\Gamma(t\to q\gamma) = \frac{1}{8}\alpha_e \lambda_q^2 m_t$ を用いてカップリングの上限を分岐比に変換し、他の実験との比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高光度条件下でのLHeCにおける異常な $tq\gamma$ FCNCカップリングの感度はどの程度か？
• RQ2 $\lambda_u$ および $\lambda_c$ の上限は、HERAおよびLHCのものと比べてどのように異なるか？
• RQ3 運動論的および位相空間的効果により、$t\to c\gamma$ に対してLHeCが $t\to u\gamma$ よりも高い感度を示すか？
• RQ4 検出器効果およびバックグラウンド過程が、$tq\gamma$ カップリング測定の到達範囲にどの程度制限を及えるか？
• RQ5 LHeCは、ハイライト・LHC（HL-LHC）に対して、トップクォークFCNC崩壊の感度を著しく向上させられるか？

主な発見

• 500 fb$^{-1}$ の統合光度において、LHeCは $tu\gamma$ カップリングに対して3σ有意水準で $\lambda_u = 0.012$ の上限を達成した。
• $tc\gamma$ カップリングに対しては、500 fb$^{-1}$ で3σ上限が $\lambda_c = 0.032$ に達し、$\lambda_u$ よりも $\lambda_c$ に対する感度が向上していることが示された。
• これに対応する分岐比の上限は、95%信頼水準で $BR(t\to u\gamma) < 1.62 \times 10^{-5}$ および $BR(t\to c\gamma) < 1.15 \times 10^{-4}$ である。
• LHeCは、CMSによるLHCの境界を $t\to c\gamma$ に関して約10倍改善し、95%信頼水準で $1.15 \times 10^{-4}$（LHeC）vs. $1.82 \times 10^{-3}$（CMS）を達成した。
• LHeCは、より高いエネルギーと $c$-クォークの最終状態への寄与が同程度であるため、HERAに比べて $\lambda_c$ に対する感度が向上している。
• LHeCの $\lambda_c$ に対する予想される感度は、HL-LHCを上回っており、トップクォークFCNCカップリングを探査する上で、補完的かつ競争力のある役割を果たすことが示された。