[論文レビュー] Search for flavor changing neutral current interactions of the top quark in final states with a photon and additional jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Aram Hayrapetyan, A. Tumasyan+2368 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、CMSが2016年から2018年までに取得した138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、トップクォークのフラバー変換を伴う中性荷電現在（FCNC）相互作用を、トップクォークが光子とアップクォークまたは charm クォークに崩壊する過程（t → uγ または t → cγ）を通じて探索する。信号とバックグラウンドを区別するために多変量解析を用い、これまでで最も厳しい95%信頼水準の上限を設定した：B(t → uγ) < 0.95 × 10⁻⁵ および B(t → cγ) < 1.51 × 10⁻⁵。特に後者は、以前の結果に比べ顕著な改善を示している。

ABSTRACT

A search for the production of a top quark in association with a photon and additional jets via flavor changing neutral current interactions is presented. The analysis uses proton-proton collision data recorded by the CMS detector at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The search is performed by looking for processes where a single top quark is produced in association with a photon, or a pair of top quarks where one of the top quarks decays into a photon and an up or charm quark. Events with an electron or a muon, a photon, one or more jets, and missing transverse momentum are selected. Multivariate analysis techniques are used to discriminate signal and standard model background processes. No significant deviation is observed over the predicted background. Observed (expected) upper limits are set on the branching fractions of top quark decays: $\mathcal{B}$(t$ o$u$\gamma$) $\lt$ 0.95$ imes$10$^{-5}$ (1.20$ imes$10$^{-5}$) and $\mathcal{B}$(t$ o$c$\gamma$) $\lt$ 1.51$ imes$10$^{-5}$ (1.54$ imes$10$^{-5}$) at 95% confidence level, assuming a single nonzero coupling at a time. The obtained limit for $\mathcal{B}$(t$ o$u$\gamma$) is similar to the current best limit, while the limit for $\mathcal{B}$(t$ o$c$\gamma$) is significantly tighter than previous results.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、トップクォークのフラバー変換を伴う中性荷電現在（FCNC）相互作用を、t → qγ崩壊（q = u, c）を通じて探索すること。
• 標準模型を越える領域における、分支比B(t → uγ)およびB(t → cγ)の改善された実験的制限を設定すること。
• R-パリティ破れを伴う超対称性、2重ヒッグスダブルレットモデル、そして技術色理論などの新しい物理のシナリオをプローブすること。これらはFCNC結合を強化する可能性がある。
• tqγ FCNC頂点を記述する次元6オペレーターを用いた有効場理論フレームワークを検証すること。

提案手法

• CMS検出器が2016年から2018年までに取得した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データを用い、統合された放射能が138 fb⁻¹である。
• 電子またはミュオン、光子、1つ以上のジェット、および欠落運動量を有するイベントを選別し、FCNC過程におけるトップクォーク崩壊（W → lν および b → q（q = u, c））と整合する。
• 信号は、左および右ヘリシティを含む次元6オペレーターを用いた有効場理論ラグランジアンでモデル化される。
• 主要な標準模型バックグラウンド（例えば、トップクォーク対生成および放射線を伴うシングルトップ生成）を抑制するために、多変量解析手法を用いる。
• 2つの生成モードを検討する：光子を伴うシングルトップクォーク生成（ST）および1つのトップクォークがFCNCによって光子と軽いクォークに崩壊するトップクォーク対生成（TT）。
• プロファイル尤度法を用い、1つの非ゼロ結合が同時に存在すると仮定して、95%信頼水準における分支比の上限を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップクォーク崩壊におけるFCNC相互作用から、現在の実験的制限であるB(t → uγ)の値は何か？
• RQ2 トップクォーク崩壊におけるFCNC相互作用から、現在の実験的制限であるB(t → cγ)の値は何か？
• RQ3 今回の制限は、CMSおよびATLAS共同研究の以前の結果と比べてどのように異なるか？
• RQ4 次元6オペレーターを用いた有効場理論フレームワークは、tqγ FCNC結合に対する観測された制限を記述できるか？
• RQ5 13 TeVにおける最終状態に光子とジェットを含むトップクォークFCNC崩壊に対して、CMS検出器の感度はいかほどか？

主な発見

• 観測されたB(t → uγ)の95%信頼水準における上限は、B(t → uγ) < 0.95 × 10⁻⁵ であり、現在の最良の制限と整合している。
• 観測されたB(t → cγ)の95%信頼水準における上限は、B(t → cγ) < 1.51 × 10⁻⁵ であり、以前の結果に比べ顕著な改善を示している。
• 期待される上限は、B(t → uγ)が1.20 × 10⁻⁵、B(t → cγ)が1.54 × 10⁻⁵ であり、良好な統計的パワーを示している。
• 標準模型バックグラウンドからの顕著なずれは観測されず、現在の感度レベルではFCNC相互作用が存在しないことを支持する。
• B(t → cγ)の制限は、ATLAS共同研究が報告した左ヘリシティの場合の4.2 × 10⁻⁵ よりもきつい。
• 多変量解析が主要な標準模型バックグラウンドを効果的に抑制し、希少なFCNC過程への感度を向上させることを確認した。