[論文レビュー] Search for charged-lepton flavor violation in the production and decay of top quarks using trilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2360 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、13 TeVの陽子-陽子衝突における3レプトン最終状態を用いて、トップクォークの生成および崩壊における電荷を帯びたレプトンのフラーバー不変性（CLFV）を探索する。CMSが取得した138 fb⁻¹のデータを用い、ブーストドリフトツリーを適用することで、上クォークまたは charm クォークを通じたトップクォークが電子-ミューオンペアに崩壊する際のウィルスン係数（0.024–0.424 TeV⁻²）および分岐比（最小0.012 × 10⁻⁶）に対する、これまでで最も厳しい制限を設定した。これらの結果は、標準模型と整合的である。

ABSTRACT

A search is performed for charged-lepton flavor violating processes in top quark (t) production and decay. The data were collected by the CMS experiment from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV and correspond to an integrated luminosity of 138 fb-1. The selected events are required to contain one opposite-sign electron-muon pair, a third charged lepton (electron or muon), and at least one jet of which no more than one is associated with a bottom quark. Boosted decision trees are used to distinguish signal from background, exploiting differences in the kinematics of the final states particles. The data are consistent with the standard model expectation. Upper limits at 95% confidence level are placed in the context of effective field theory on the Wilson coefficients, which range between 0.024–0.424 TeV-2 depending on the flavor of the associated light quark and the Lorentz structure of the interaction. These limits are converted to upper limits on branching fractions involving up (charm) quarks, t→eμu (t→eμc), of 0.032(0.498)×10-6, 0.022(0.369)×10-6, and 0.012(0.216)×10-6 for tensorlike, vectorlike, and scalarlike interactions, respectively.

研究の動機と目的

• 標準模型では禁止されているが、新しい物理によって予測されるトップクォーク生成および崩壊における電荷を帯びたレプトンのフラーバー不変性（CLFV）を探索すること。
• トップクォーク、電荷を帯びたレプトン、および上クォークまたは charm クォークを含む次元6の有効場理論演算子を調べること。
• ジェットおよびフラーバー識別を組み合わせた3レプトン最終状態を用いることで、過去のLHCの限界を超えたCLFVへの感度を向上させること。
• 特定のLFVトップクォーク崩壊モードにおけるウィルスン係数および分岐比の95%信頼水準における上界を設定すること。
• B中間子のフラーバー異常を説明するモデルが、LHCにおけるトップクォーク崩壊に現れる新しい物理として現れる可能性を検証すること。

提案手法

• CMS実験が収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ138 fb⁻¹を用いる。
• 1つの電荷反対の電子-ミューオンペア、第3の電荷を帯びたレプトン（e または μ）、および1つのbジェットを含まない少なくとも1つのジェットを要件とする3レプトン最終状態の選別を実施する。
• 最終状態粒子の運動学的特徴を用いて、信号とバックグラウンドを区別するためにブーストドリフトツリー（BDTs）を用いる。
• 即時バックグラウンドはモンテカルロシミュレーションでモデル化し、非即時バックグラウンドはデータ駆動型の制御サンプルを用いる。
• 結果を有効場理論（EFT）の枠組みで解釈し、次元6の演算子を用いてCLFVをパラメータライズし、ウィルスン係数C(6)aを用いる。
• 観測されたウィルスン係数の制限を、t → eμuおよびt → eμc崩壊における分岐比の上界に変換する。この際、テンソル型、ベクトル型、スカラー型の異なるローレンツ構造を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCは、3レプトン最終状態を用いたトップクォーク崩壊における電荷を帯びたレプトンのフラーバー不変性（CLFV）に対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ2 3レプトンイベントの運動学的分布は、CLFV信号と支配的である標準模型バックグラウンドとどのように異なるのか？
• RQ3 トップクォークとフラーバー不変性を持つ電荷を帯びたレプトンを含む次元6のEFT演算子に対する、95%信頼水準におけるウィルスン係数の最も厳しい制限は何か？
• RQ4 さまざまなローレンツ構造の下で、観測されたデータがt → eμuおよびt → eμc崩壊の分岐比をどの程度制限できるか？
• RQ5 B中間子のフラーバー異常を説明する新しい物理モデルは、LHCにおけるトップクォークCLFVを通じて探査可能か？

主な発見

• データは標準模型の予測と整合的であり、3レプトン最終状態に顕著な過剰は観測されなかった。
• 95%信頼水準におけるウィルスン係数の上界は、関連する軽クォークの種別およびローレンツ構造に応じて0.024から0.424 TeV⁻²の範囲に分布する。
• テンソル型相互作用の下では、t → eμuの分岐比の上界は0.032 × 10⁻⁶である一方、スカラー型相互作用では0.012 × 10⁻⁶である。
• 最も厳しい制限はスカラー型相互作用に対して得られ、t → eμc崩壊の分岐比上界は0.012 × 10⁻⁶となった。
• 本結果は、これまでで最も感度の高いCLFV探索であり、過去のLHCおよび非LHCの限界を上回っている。
• 機械学習（ブーストドリフトツリー）が、高多重度最終状態におけるレアでフラーバー不変な信号を分離する有効性を示している。