[論文レビュー] Top quark rare decays in a two Higgs doublet model for the top

Itzhak Baum|ArXiv.org|Nov 8, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、トップクォークが第二ヒッグスダブルレットにのみ結合するため、フラバー変換（FCNC）相互作用が強化されるトップ専用の二重ヒッグスダブルレットモデル（T2HDM）におけるトップクォークのレア崩壊を調査する。その結果、$ t \to cH^0 $ および $ H^0 \to \bar{t}c $ の分岐比は、標準模型および2HDM-I, IIと比較して多数のオーダー増加し、最大で $ \sim 10^{-4} $ に達することが判明。これは、$ 5 \times 10^{-5} $ 以上であれば大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で検出可能である可能性がある。

ABSTRACT

The two Higgs doublet model for the top (T2HDM) is a 2HDM in which the top quark receives a special status, which endows it with a naturally large mass, and also gives rise to unique FC charged and neutral scalar interactions. We calculate the BR of the t->ch and h->tc rare decays in the T2HDM, at 1-loop and tree level. We find that the FC scalar interactions play a significant role in these decays. We find that the BR of these decays at 1-loop level in the T2HDM can be significantly enhanced over the 2HDM-I,II, reaching up to ~10^-4, and that the BR(t->ch) in the T2HDM can be detected at the LHC.

研究の動機と目的

• トップクォークが第二ヒッグスダブルレットにのみ結合するという特別な取り扱いを施した二重ヒッグスダブルレットモデルの意味を検討すること。
• 標準模型を超える新しい物理によって、トップクォークと charm クォークを含むフラバー変換（FC）崩壊の可能性を調査すること。
• T2HDM、標準模型、2HDM-I, II におけるレア崩壊 $ t \to cH^0 $ および $ H^0 \to \bar{t}c $ の分岐比を計算・比較すること。
• 特に $ \tan\beta $ が大きいパrameter空間領域において、これらのレア崩壊が大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で検出可能かどうかを評価すること。
• 一LOOP振幅計算の整合性を、紫外発散のキャンセルによって検証すること。

提案手法

• T2HDMのヤコビアンおよびヒッグスポテンシャルを第一原理から導出し、スカラーからクォークへの相互作用および三重スカラー相互作用頂点を明示的に構築する。
• T2HDMに特化したフェ Feynman ルールを用いて、$ t \to cH^0 $ および $ H^0 \to \bar{t}c $ の一LOOPおよび樹形レベル振幅を計算する。
• 紫外発散を処理するため、$ \varepsilon = 4 - d $ を用いた次元正則化を適用する。
• すべての一LOOP図において $ \frac{1}{\varepsilon} $ の極がキャンセルされることを確認し、重正化群不変性および自己整合性を保証する。
• ヒッグスおよびトップクォークの全幅を用いて分岐比を計算し、T2HDM、SM、2HDM-I, II との比較を行う。
• $ m_{H^+}, m_{h^0}, m_{A^0}, \tan\beta $ のパラメータ空間における数値スキャンを実施し、最大増幅領域を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T2HDMでは、標準模型および2HDM-I, IIと比較して、トップのレア崩壊 $ t \to cH^0 $ の分岐比が著しく増幅されるか？
• RQ2 T2HDMにおいて $ H^0 \to \bar{t}c $ の崩壊はどの程度増幅され、LHCで検出可能か？
• RQ3 T2HDMのパラメータ空間のどの領域で、フラバー変換崩壊が最大に増幅されるか？
• RQ4 $ t \to cH^0 $ および $ H^0 \to \bar{t}c $ における一LOOPおよび樹形レベルの寄与の大きさと構造は、どのように比較されるか？
• RQ5 紫外発散のキャンセルが確認されることで、一LOOP振幅計算が自己整合的であるか？

主な発見

• T2HDMにおける分岐比 $ \text{BR}(t \to cH^0) $ は、標準模型および2HDM-I, IIと比較して多数のオーダー増加し、最大で $ \sim 10^{-4} $ に達する。
• T2HDMにおける分岐比 $ \text{BR}(H^0 \to \bar{t}c) $ は $ 10^{-4} $ を超えることがあり、標準模型および2HDM-I, IIと比べて顕著に大きい。
• 増幅は特に中性ヒッグスセクターが支配的になる領域で顕著であり、$ \tan\beta $ が大きく、$ m_{H^+}, m_{h^0}, m_{A^0} $ の特定の組み合わせがある場合に顕著である。
• LHCは、$ \text{BR}(t \to cH^0) $ が $ \sim 5 \times 10^{-5} $ を超える場合に検出可能であり、本稿では特定のT2HDMパラメータ領域でこの閾値を達成していることが判明した。
• 一LOOP振幅における紫外発散のキャンセルは、解析的および数値的に確認され、計算の整合性が裏付けられた。
• 数値的結果から、$ \text{BR}(t \to cH^0) $ は $ \tan\beta $ に伴い増加し、チャージドヒッグスの質量に敏感であることが判明。最大値は $ \tan\beta \sim 28 $ および $ m_{H^+} \sim 660 \, \text{GeV} $ で観測された。