[論文レビュー] Search for FCNC in top quark production and decays

R. Goldouzian|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、CDF、D0、ATLAS、CMS共同研究の実験的探索を、トップクォークの崩壊および生成におけるフラーバー変換中性色相互作用（FCNC）についてレビューしている。有効ラグランジアンモデルと多次元解析を用いて、顕著な信号は観測されなかった。Braching ratioの95%信頼水準における最も厳しい上限は、$t \to cH$で0.79%、$t \to u g$で0.0031%、$t \to u Z$で0.05%であり、これまでで最も厳しい制約となっている。

ABSTRACT

An overview of searches for top quark flavour changing neutral currents (FCNC) from the CDF, D0, ATLAS and CMS collaborations is presented. The FCNC interactions of top quarks are probed through the anomalous decays and production channels. No clear evidence for the presence of the signal is observed in none of the searches and the upper limits are set at 95% confidence level (CL) on the cross sections, anomalous couplings and the branching ratios.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理の兆候として、トップクォークにおけるフラーバー変換中性色相互作用（FCNC）を調べること。
• 上型クォークおよび中性ゲージボソンまたはヒッグスボソンへの異常なトップクォーク結合の実験的上限を設定すること。
• 複数の最終状態および複数の実験からの結果を統合することで、新しい物理への感度を向上させること。
• LHCおよびテバトロンでの高エネルギー$t\bar{t}$イベントを用いて、GIM機構の頑健性をテストすること。
• 今後のトップクォーク崩壊におけるFCNC率の増幅を予測するモデルのベンチマーク上限を提供すること。

提案手法

• 異常なトップクォークFCNC結合を$Z$, $\gamma$, $g$, $H$ボソンとモデル化するために、有効ラグランジアンアプローチを採用した。
• 信号およびバックグラウンド過程のシミュレーションに、モンテカルロイベントジェネレータ（例：MadGraph5, Pythia, PROTOS）を用いた。
• FCNC信号と標準模型バックグラウンドを区別するために、多次元解析手法（BNN, BDT）を適用した。
• インバリアント質量ウィンドウ、ジェットおよびレプトン識別、欠落横断運動量に基づく運動学的選択基準を実装した。
• ダイフォトンおよびマルチレプトン最終状態の尤度フィットを実施し、Braching ratioの上限を抽出した。
• 既存のマルチレプトンおよびダイフォトン探索を再解釈し、FCNCに敏感な観測量を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップクォークが上型クォークとヒッグスボソンに崩壊するBraching ratio（$t \to qH$）の現在の実験的上限は何か？
• RQ2 異なる実験およびセンター・オブ・マスエネルギーで、$t \to q\gamma$, $t \to qZ$, および $t \to qg$の観測上限はどのように比較できるか？
• RQ3 ヒッグスボソンが$\gamma\gamma$に崩壊する$t\bar{t}$イベントにおいて、異常なトップクォークFCNC結合の存在を検出できるか？
• RQ4 シングルトップおよび$t\bar{t}$最終状態は、$Z$, $\gamma$, およびグルーオンを含むトップクォークFCNC相互作用に対してどの程度感度を持つか？
• RQ5 ATLAS、CMS、CDF、D0の異なる実験における、$BR(t \to q\gamma)$ 対 $BR(t \to qZ)$ 平面上での上限はどのように比較できるか？

主な発見

• CDF、D0、ATLAS、CMSのいずれのFCNC探索でも、標準模型バックグラウンドを上回る顕著な過剰は観測されなかった。
• ATLAS共同研究が、7および8 TeVの25 fb$^{-1}$のデータを用いて、$BR(t \to cH)$の95%信頼水準における最も厳しい上限0.79%を設定した。
• ATLAS共同研究が、8 TeVの14.2 fb$^{-1}$のデータをもとに、$BR(t \to u g)$の上限を0.0031%、$BR(t \to c g)$の上限を0.016%に設定した。
• CMS共同研究が、8 TeVの19.5 fb$^{-1}$のデータを用いて、$BR(t \to cH)$の95%信頼水準における上限を0.56%と報告した。
• $t \to qZ$崩壊に関しては、$BR(t \to uZ)$の上限が0.05%で、CMS共同研究が7および8 TeVの24.7 fb$^{-1}$のデータを用いて報告した。
• 複数の実験からの統合上限は、現在の実験的到達域が、特定の新しい物理モデルが予測する領域に近づいていることを示している。