[論文レビュー] Top quark rare decays in the standard model and beyond

B. Mele|ArXiv.org|Mar 8, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、標準模型（SM）およびその拡張におけるトップクォークのレア崩壊をレビューし、理論的予測とLHCの感度に焦点を当てる。SMにおけるレア崩壊のBrは$10^{-6}$未満にとどまるが、LHCでは検出不能である。一方、追加のヒッグスボソンやR対称性破れのSUSYを含む特定の拡張モデルでは、$\sim10^{-4}$から$10^{-3}$の観測可能なレベルに崩壊率が増幅されることが示され、特に非一様なソフト項を有するMSSMにおいて$t \to ch^0$および$t \to c\gamma$の過程が顕著である。

ABSTRACT

Theoretical predictions for the top quark rare decays are reviewed within and beyond the standard model. Expectations at the CERN Large Hadron Collider are discussed.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）およびその拡張におけるトップクォークのレア崩壊チャネルの理論的妥当性と検出可能性を評価すること。
• CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が、新しい粒子や異常な結合を伴うレアトップ崩壊にどの程度感度を示すかを評価すること。
• 新しい物理モデル（例：MSSM、4番目のフェルミオン家族、2HDM）におけるどのレア崩壊チャネルがLHCで観測可能なBrに達するかを特定すること。
• 理論的予測とLHCの実験的閾値を比較し、バックグラウンドと運動学的カットに注目すること。
• ATLASおよびCMS実験が特定のレア崩壊サインチャにどの程度まで到達可能かを特定すること。特に、荷電ヒッグスボソンやフレーバー変換を伴う中性荷電現在のチャネルに注目する。

提案手法

• 有効場理論および摂動的QFTを用いて、SMにおけるトップ崩壊のBrを計算し、1ループおよび樹形レベルの振幅を含む。
• ゲージ不変な崩壊幅の定義（例：$\Gamma(t\to bWZ)$ は $b\mu\nu_\mu ee$ 終状態を介して）を適用し、バックグラウンド干渉を考慮する。
• 放射性およびヒッグス媒介崩壊を、運動学的カット（例：$m_{ee} > 0.8M_Z$）および検出器シミュレーションの近似を用いて評価する。
• 拡張モデルを検討：4番目のフェルミオン家族、2HDM、一様および非一様なソフト破れ項を有するMSSM、R対称性破れのSUSY。
• SMおよびBSMの振幅を用いてBrの比較分析を行い、GIM抑制因子およびループレベルの寄与を含む。
• ATLASおよびCMSのLHC検出器シミュレーション研究に依拠し、さまざまな崩壊チャネルにおける感度閾値を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型において、特に$t\to bWZ$、$t\to bWH$、$t\to cWW$のトップクォークのレア崩壊のBrはどの程度か？
• RQ2 MSSMにおける非一様なソフト項やR対称性破れのSUSYなどの新しい物理モデルは、$t\to cg$、$t\to c\gamma$、$t\to ch^0$などのレアトップ崩壊をどの程度増幅するか？
• RQ3 LHCのレアトップ崩壊に対する感度はどの程度か？現実的なバックグラウンドとカットを考慮した場合、どのチャネルが実験的に到達可能か？
• RQ4 MSSMなどのモデルにおいて、$t\to bH^+$を介して荷電ヒッグスボソンの存在をLHCが探査可能か？予想される発見閾値は？
• RQ5 LHC実験はトップ系における異常なフレーバー変換を伴う中性荷電現在をどの程度まで検出可能か？感度閾値は？

主な発見

• SMにおいて、$\Gamma(t\to bWZ)$ はゲージ不変な定義により$2\times10^{-6}$と推定されるが、バックグラウンドを含む有効実験的推定値は$6\times10^{-7}$である。
• SMの崩壊$ t\to bWH $ は強く抑制されており、$ m_H \gtrsim100 $ GeV の場合、$ B(t\to bWH)\lesssim7\times10^{-8} $ である。
• 崩壊$ t\to cWW $ はGIM抑制が強く、$ B(t\to cWW)\sim10^{-13} $ であり、SMでは観測不能である。
• 非一様なソフト破れ項（2nd–3rd世代混合）を有するMSSMでは、$ B(t\to cg)\sim10^{-6} $ および $ B(t\to c\gamma)\sim10^{-8} $ となり、LHC感度に近づくが依然として下回る。
• R対称性破れのSUSYモデルでは、$ B(t\to cg)\sim10^{-3} $、$ B(t\to c\gamma)\sim10^{-5} $、$ B(t\to cZ)\sim10^{-4} $ となり、これらのチャネルは観測可能である可能性がある。
• MSSMにおける$ t\to ch^0 $ 崩壊は、軽いCP偶性ヒッグスの場合は$ B\sim10^{-4} $ に達し、$100~\text{fb}^{-1}$の光度においてLHCの検出閾値に達する。