[논문 리뷰] Flavor changing neutral currents in top quark production and decay

E. Yazgan|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 테바트론과 LHC에서 top 쿼크 붕괴 및 생성 과정에서의 모형에 의존하지 않는 flavor-changing neutral current(FCNC) 탐색을 수행하며, 결과를 해석하기 위해 효과적 장 이론을 사용한다. 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 브랜치 비율(예: B(t→Zq) < 0.05%)과 결합 강도에 대해 엄격한 95% 신뢰수준 상한선을 설정하였다. 향후 LHC 런에서는 감도가 약 제곱근 수준 향상될 것으로 기대된다.

ABSTRACT

Top quark flavor changing neutral current (FCNC) interactions are highly suppressed in the Standard Model. Therefore, any large signal of FCNCs will indicate the existence of new interactions. In this paper, searches for FCNC interactions in top quark production and decay at the Tevatron and LHC are presented. FCNC searches in $t ightarrow qZ$ and $t ightarrow Hq$ decays, and in top quark production in $pp ightarrow t+j$, $pp ightarrow t+Z$ are summarized. Effect of top quark FCNCs on single top quark cross-section, and the searches for same-sign top quark pair production through FCNCs are also described. None of the searches yielded positive results and exclusion limits on branching rations, coupling strengths and cross-sections are obtained. Future prospects of FCNC searches are also briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 테바트론과 LHC에서 top 쿼크 붕괴 및 생성 과정에서의 flavor-changing neutral current(FCNC)을 탐색하기 위해.
• 신물리가 top 쿼크 질량보다 높은 에너지 스케일에서 존재한다고 가정할 때, 효과적 장 이론을 사용하여 FCNC 결합에 대한 모형에 의존하지 않는 한계를 설정하기 위해.
• t→Zq, t→Hq, t→γq와 같은 희귀 top 쿼크 붕괴를 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리의 존재를 탐색하기 위해.
• FCNC가 단일 top 쿼크 생성 단면적과 동일전하 top 쿼크 쌍 생성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 14 TeV LHC에서 높은 루미노시티를 갖는 향후 런에서 향상된 감도를 제공하기 위해.

제안 방법

• 차원-5 연산자를 포함한 효과적 장 이론 라그랑지안을 사용하여 top 쿼크 붕괴 및 생성에서의 FCNC 상호작용을 기술한다.
• √s = 7–8 TeV 및 1.96 TeV에서의 양성자-양성자 및 양성자-반양성자 충돌 데이터를 ATLAS, CDF, CMS, D0 협동 연구 그룹의 데이터 분석에 활용한다.
• 이중 레프톤, 삼중 레프톤, 이중 광자 채널과 같은 최종 상태 기반 이벤트 선별을 수행하며, top 쿼크의 운동량 재구성 기법을 적용한다.
• 신호에 대한 몬테카를로 시뮬레이션(MadGraph + Pythia)과 배경 추정을 위한 데이터 기반 방법을 사용한다.
• t→qZ 및 t→Hq 채널에서 신호 식별을 향상시키기 위해 다변량 분석(BDT)을 적용한다.
• 최대우도 추정을 통해 신호 유의도를 추출하고, 브랜치 비율 및 결합 강도에 대한 상한선을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC와 테바트론 데이터로부터 B(t→Zq)에 대한 현재 95% 신뢰수준 상한선은 무엇인가?
• RQ2 실험 결과는 H→γγ 및 H→WW* 붕괴 모드에서 t→cH 붕괴의 효과적 결합 강도를 어떻게 제약하는가?
• RQ3 FCNC 상호작용은 t-채널 단일 top 쿼크 생성 단면적에 얼마나 큰 영향을 미치며, 기존 데이터로 이러한 영향을 표준모형과 구별할 수 있는가?
• RQ4 Z′ 보손을 통한 동일전하 top 쿼크 쌍 생성에 대한 배제 한계는 무엇이며, 이는 top 쿼크 전후방 비대칭 현상을 설명하는 모형을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 향후 14 TeV LHC 런에서 top 쿼크 FCNC 과정에 대한 감도는 어떻게 향상될 수 있는가?

주요 결과

• B(t→Zq)에 대한 가장 엄격한 95% 신뢰수준 상한선은 8 TeV에서 19.7 fb⁻¹ 데이터를 조합한 CMS 데이터로부터 도출되었으며, 0.05%이다.
• H→γγ 모드를 포함한 t→cH 붕괴의 경우, 관측된 95% 신뢰수준 한계는 0.83%이며, λtcH 결합 상수에 대한 상한은 0.17이다.
• CMS 협동 연구는 H→WW*, ττ, ZZ* 등 여러 힉스 붕괴 모드를 통합하여 B(t→cH)에 대해 1.28%의 95% 신뢰수준 상한선을 설정하였다.
• 동일전하 top 쿼크 쌍 생성에 대한 증거는 발견되지 않았으며, ATLAS 협동 연구는 오른쪽-오른쪽 펄스성 구성에서 σ(pp→tt) < 0.21 pb의 95% 신뢰수준 한계를 설정하였다.
• 글루온 및 Z 보손이 매개하는 FCNC에 대한 결합 강도 상한선은 각각 κgut/Λ < 0.10 TeV⁻¹, κgct/Λ < 0.35 TeV⁻¹, κzut/Λ < 0.45 TeV⁻¹, κZct/Λ < 2.27 TeV⁻¹이다.
• 향후 예측에 따르면, 14 TeV에서 300 fb⁻¹의 데이터로 ATLAS는 B(t→qZ) > 2×10⁻⁴를 배제할 것으로 기대하며, CMS는 95% 신뢰수준에서 B(t→qZ) < 10⁻⁵에 도달할 것으로 예상된다.