[논문 리뷰] Flavor-Changing Neutral-Current Decays in Top-Specific Variant Axion Model

Cheng-Wei Chiang, Hajime Fukuda외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 Peccei-Quinn 대칭에 의해 충전된 힉스 두중항이 중성미자 전이를 통해 매개하는, 토프-특이적 변형 아키온 모형을 제안한다. 이 모형은 $ t \to h c $ 붕괴가 LHC 런-II에서 검증 가능하며, 각도 분포를 통해 스핀 성향이 측정 가능하다. 또한 오른쪽 손잡이 타우 렙톤도 PQ 대칭을 지닌다면 CMS에서 보고한 $ h \to \tau\mu $ 붕괴를 설명할 수 있으며, 현재의 제약 조건과 LHC 감도와 일치하는 매개변수 공간을 가진다.

ABSTRACT

The invisible variant axion model is very attractive as it is free from the domain wall problem. This model requires two Higgs doublets at the electroweak scale where one Higgs doublet carries a nonzero Peccei-Quinn (PQ) charge and the other is neutral under the PQ $\ ext U(1)$ symmetry. We consider the most interesting and less constrained scenario of the variant axion model, where only the right-handed top quark is charged under the PQ symmetry and couples with the PQ-charged Higgs doublet. As a result, the top quark can decay to the observed standard-model-like Higgs boson $h$ and the charm or up quark, $t\ o h~ c/u$, which is testable soon at the LHC Run-II. Moreover, we propose a method to probe the chiral nature of the Higgs flavor-changing interaction using the angular distribution of $t \ o ch$ decays if a sufficient number of such events are observed. We also show that our model has the capacity to explain the $h\ o\ au\\mu$ decay reported by the CMS Collaboration, if the right-handed tau lepton also carries a PQ charge and couples to the PQ-charged Higgs boson.

연구 동기 및 목표

• 오직 오른쪽 손잡이 토프 쿼크만 PQ 대칭을 지닌 Peccei-Quinn 대칭 기반의 두 힉스 두중항 모형에서의 맛 전이 중성미자(FCNC) 현상학을 탐구한다.
• 현재 힉스 신호 강도 데이터와 붕괴 분율 제약 조건을 고려할 때, LHC에서 $ t \to h c $ 붕괴 채널의 실현 가능성 평가.
• 오른쪽 손잡이 타우 렙톤의 PQ 대칭 할당을 확장함으로써 CMS에서 보고한 이례적인 $ h \to \tau\mu $ 붕괴를 모형이 수용할 수 있는지 조사한다.
• 특히 왼쪽 손잡이 토프와 오른쪽 손잡이 채리온을 선호하는 FCNC 쿠퍼링의 치랄 성향이, 토프 쌍 생성에서의 각도 분포를 통해 측정 가능하다는 것을 보여준다.

제안 방법

• 오직 오른쪽 손잡이 토프 쿼크와 한 개의 힉스 두중항만 비영인 PQ 대칭을 지닌 두 힉스 두중항 모형을 구성한다.
• 표준모형 유사 힉스 보손 $ h $, 토프 쿼크, 채리온 쿼크 간의 요카다 쿠퍼링과 FCNC 상호작용을 유도하며, 혼합 각도 $ \rho $로 매개변수화한다.
• Higgs 신호 강도 데이터( $ h \to \gamma\gamma, \tau\tau, bb, WW^*, ZZ^* $, 및 $ gg $)와 LHC에서의 $ \text{BR}(t \to h c) $ 제약 조건을 사용하여 $ t \to h c $ 붕괴 분율을 계산한다.
• 스핀 상관성이 있는 토프 쌍 생성에서의 $ t \to h c $ 붕괴 각도 분포를 분석하여 FCNC 쿠퍼링의 스핀 성향을 추출한다.
• 오른쪽 손잡이 타우 렙톤에 비영인 PQ 대칭 할당을 도입하여, 동일한 PQ 충전 힉스 보손을 통해 $ h \to \tau\mu $ 붕괴를 가능하게 한다.
• CMS에서 관측된 $ h \to \tau\mu $ 반응률을 사용하여 혼합 매개변수 $ \rho_\tau $와 쿠퍼링 강도 $ a $를 제약하고, $ t \to h c $ 붕괴 분율 제약과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 힉스 데이터와 실험적 제약 조건을 고려할 때, 토프-특이적 변형 아키온 모형이 LHC에서 검출 가능한 $ t \to h c $ 붕괴를 생성할 수 있는가?
• RQ2 왼쪽 손잡이 토프와 오른쪽 손잡이 채리온을 선호하는 $ t \to h c $ FCNC 쿠퍼링의 치랄 성향은 어떻게 실험적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ3 이 모형은 CMS 협동조직이 보고한 이례적인 $ h \to \tau\mu $ 붕괴를 설명할 수 있는가?
• RQ4 $ h \to \tau\mu $를 설명하는 매개변수 공간과 LHC 런-II에서 $ t \to h c $를 탐지할 수 있는 영역 간의 겹침은 어느 정도인가?
• RQ5 $ h \to \tau\mu $ 붕괴에서의 $ \tau $ 편광은 렙톤 부문 FCNC 쿠퍼링의 스핀 성향을 탐지하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 매개변수 공간의 상당 부분에서 $ t \to h c $ 붕괴 분율은 LHC 런-II의 감도 범위 내에 있으며, 특히 분리한 극한에서 그러하다.
• 모형은 왼쪽 손잡이 토프 쿼크가 오른쪽 손잡이 채리온 쿼크보다 더 강하게 상호작용하는 스핀 강화 쿠퍼링을 예측하며, 이는 토프 쌍 생성에서의 각도 분포를 통해 탐지 가능하다.
• CMS의 $ h \to \tau\mu $ 신호를 설명하는 매개변수 공간의 대부분은 현재의 $ \text{BR}(t \to h c) $ 제약 조건과 일치하며, LHC 런-II의 감도 범위 내에 있다.
• $ h \to \tau\mu $에 필요한 쿠퍼링 강도는 $ |\sin \rho_\tau| \sim 1 $일 때 $ a \simeq 0.6 $이며, 모형은 $ h \to \tau^- \mu^+ $에서 왼쪽 손잡이 $ \tau^- $를 예측한다. 이는 에너지 분포 분석으로 검증 가능하다.
• $ \tau \to \mu\gamma $ 붕괴 확률는 $ h \to \tau\mu $를 설명하는 매개변수 영역에서 실험적 제약 조건 이하로 유지되어, 렙톤 맛 위반 제약 조건과 일관성을 유지한다.
• 모형의 매개변수 공간은 $ h \to \tau\mu $ 신호를 포함함으로써 略로 확장되지만, 여전히 힉스 신호 강도 데이터와 $ t \to h c $ 제약 조건과 일치한다.