[論文レビュー] Search for charged-lepton flavor violation in top quark production $\sqrt{s}$ =13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 65被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、LHCにおける13 TeVの√sで138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用い、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バー不変性（CLFV）を探索した。有効場理論の枠組みを用いて、95%信頼水準において、トップクォークのeμペアへの分岐比に関する、これまでで最も厳しい観測限界を設定した。ベクトル型では0.13 × 10⁻⁶、スカラー型では0.07 × 10⁻⁶、テンソル型では0.25 × 10⁻⁶の限界に達した。

ABSTRACT

Results are presented from a search for charged-lepton flavor violating (CLFV) interactions in top quark production and decay in pp collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The events are required to contain one oppositely charged electron-muon pair in the final state, along with at least one jet identified as originating from a bottom quark. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$, collected by the CMS experiment at the LHC. This analysis includes both the production (q $ o$ e$μ$t) and decay (t $ o$ e$μ$q) modes of the top quark through CLFV interactions, with q referring to a u or c quark. These interactions are parametrized using an effective field theory approach. With no significant excess over the standard model expectation, the results are interpreted in terms of vector-, scalar-, and tensor-like CLFV four-fermion effective interactions. Finally, observed exclusion limits are set at 95% confidence levels on the respective branching fractions of a top quark to an e$μ$ pair and an up (charm) quark of 0.13 $ imes$ 10$^{-6}$ (1.31 $ imes$ 10$^{-6}$), 0.07 $ imes$ 10$^{-6}$ (0.89 $ imes$ 10$^{-6}$), and 0.25 $ imes$ 10$^{-6}$ (2.59 $ imes$ 10$^{-6}$) for vector, scalar, and tensor CLFV interactions, respectively.

研究の動機と目的

• 有効場理論を用いて、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バー不変性（CLFV）を調査すること。
• レプトンクォークや拡張したヒッグス模型を含む、CLFVを予測する理論的モデルをテストすること。
• eμ最終状態を伴う、希少なトップクォーク崩壊における、より良い実験的限界を設定すること。
• トップクォークのCLFVと、レプトンユニバーサリティの破れを示すB中間ベクトルの崩壊における異常との関連を調査すること。

提案手法

• 次元6のオペレーターを用いた有効場理論の手法を採用し、トップクォークの生成および崩壊におけるCLFV相互作用をモデル化した。
• CLFV頂点を介したt → eμq崩壊およびq → eμt生成モードの両方を分析した。
• トップクォーク、アップまたはチアムクォーク、およびフラバー混合の電荷を帯びたレプトンを含むCLFV相互作用を、ベクトル型、スカラー型、テンソル型の4フェルミオンオペレーターでパラメータ化した。
• CLFV信号に対する感度を高めるために、1つのeμペアと少なくとも1つのbジャットを要件とするイベント選別を実施した。
• 標準模型の過程を用いてバックグラウンド推定を行い、制御領域とシミュレーションを用いて妥当性を検証した。
• 統計的手法を用いて、t → eμq崩壊の分岐比に対する95%信頼水準での除外限界を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおけるCLFV相互作用によって媒介されるトップクォークのeμペアへの崩壊に対する、最も厳しい限界は何か？
• RQ2 観測された限界は、ベクトル型、スカラー型、テンソル型のCLFV 4フェルミオン相互作用のどの程度を制約するか？
• RQ3 トップクォーク崩壊における観測されたCLFV信号は、レプトンユニバーサリティの破れを示すB中間ベクトルの崩壊における異常を説明できるか？
• RQ4 LHCは、標準模型を超える新しい物理スケールを、トップクォーク系におけるCLFVを通じてどの程度感度を持って探査できるか？
• RQ5 結果は、レプトンクォークや2重ヒッグスダブルレットモデルなどの理論的予測とどのように比較できるか？

主な発見

• 標準模型のバックグラウンドを超える顕著な過剰は観測されず、95%信頼水準での除外限界が得られた。
• t → eμq崩壊の分岐比に対する観測限界は、ベクトル型CLFV相互作用で0.13 × 10⁻⁶であった。
• スカラー型CLFV相互作用では、t → eμqの分岐比に対する観測限界は0.07 × 10⁻⁶であった。
• テンソル型CLFV相互作用では、t → eμqの分岐比に対する観測限界は0.25 × 10⁻⁶であった。
• t → eμc崩壊の分岐比に対する限界は、それぞれベクトル型で1.31 × 10⁻⁶、スカラー型で0.89 × 10⁻⁶、テンソル型で2.59 × 10⁻⁶であった。
• これらの結果は、LHCラン2データからのトップクォークCLFV崩壊に対する、これまでで最も厳しい制約を示している。