[논문 리뷰] Probing a pseudoscalar at the LHC in light of $R(D^{(*)})$ and muon g-2 excesses

Lei Wang, Jin Min Yang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 $R(D^{(*)})$ 및 μ자 $g-2$ 이상 현상들을 동시에 설명하기 위해 토퍼 쿼크의 허용되지 않는 중성미류 전환을 포함한 이중 힉스 두중체 모형(2HDM)을 제안한다. 질량 20–150 GeV인 편성자 $A$가 $t \to Ac$ 붕괴를 통해 주로 $\tau\bar{\tau}$로 붕괴되며, 13 TeV LHC에서 30 fb$^{-1}$의 데이터로는 이 시나리오를 대부분 배제할 수 있고, 100 fb$^{-1}$이면 완전히 배제할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We study the excesses of $R(D^{(*)})$ and muon $g-2$ in the framework of a two-Higgs-doublet model with top quark flavor-changing neutral-current (FCNC) couplings. Considering the relevant theoretical and experimental constraints, we find that the $R(D^{(*)})$ and muon $g-2$ excesses can be simultaneously explained in a parameter space allowed by the constraints. In such a parameter space the pseudoscalar ($A$) has a mass between 20 GeV and 150 GeV so that it can be produced from the top quark FCNC decay $t o A c$. Focusing on its dominant decay $A o τ\barτ$, we perform a detailed simulation on $pp o t\bar{t} o Wb Ac o jjbcτ\barτ$ and find that the $2σ$ upper limits from a data set of 30 (100) fb$^{-1}$ at the 13 TeV LHC can mostly (entirely) exclude such a parameter space.

연구 동기 및 목표

• 단일 이론적 프레임워크 내에서 $R(D^{(*)})$ 및 μ자 $g-2$ 이상 현상을 동시에 설명하기 위해.
• 20 GeV에서 150 GeV 사이의 질량을 가진 편성자 보손 $A$가 이러한 이상 현상의 매개체로 가능한지를 조사하기 위해.
• pp \to t\bar{t} \to WbAc \to jjbc\tau\bar{\tau}$ 신호에 대한 세밀한 시뮬레이션을 통해 LHC에서 이러한 편성자의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 정밀 전자약력 데이터, $B$-메손 붕괴, $\tau$ 붕괴, 토퍼/힉스 탐색으로부터의 엄격한 이론적 및 실험적 제약 조건 적용하기 위해.
• 실제 루미노시티 데이터 세트를 사용하여 LHC가 두 이상 현상과 일치하는 타당한 매개변수 공간을 배제할 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 부드럽게 깨진 $Z_2$ 대칭과 함께 토퍼 쿼크의 허용되지 않는 중성미류 전환(FCNC)을 포함한 이중 힉스 두중체 모형(2HDM)을 수립한다.
• 정밀 전자약력 데이터, $B$-메손 붕괴($R(D^{(*)})$), $\tau$ 붕괴, 토퍼 쿼크 및 힉스 탐색으로부터의 제약 조건을 적용하여 매개변수 공간을 제한한다.
• 신호 과정 $pp \to t\bar{t} \to WbAc \to jjbc\tau\bar{\tau}$와 배경 과정($t\bar{t}$, $Z+b\bar{b}/c\bar{c}$, $tZ$)의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 톱 쿼크($m_{j_c\tau\tau}$), $W$ 보손($m_{j_1j_2}$), $b$-제트 시스템($m_{j_bj_1j_2ler}$)의 재구성된 질량을 기반으로 $\chi^2$ 최소화 기법을 사용한 운동학적 재구성 기법을 적용하여 신호 사건을 식별한다.
• 선택 조건 적용: 두 개의 $b$-태깅 제트, $\chi^2_{\text{min}} < 6$, 및 $M_{\tau\tau}$를 통한 $m_A$ 재구성; 낮은 $m_A$에 최적화된 질량 창 감도를 확보한다.
• $\mathcal{S} = n_s / \sqrt{n_b + (\varepsilon n_b)^2}$ 공식을 사용하여 신호의 유의도를 계산하며, 체계적 불확실성 $\varepsilon = 20\%$ (30 fb$^{-1}$) 및 $10\%$ (100 fb$^{-1}$)를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDM에서 토퍼 쿼크의 FCNC 쿠플링을 가진 경우, $R(D^{(*)})$ 및 μ자 $g-2$ 이상 현상은 동시에 설명될 수 있는가?
• RQ2 모든 실험적 및 이론적 제약 조건을 만족하면서 이러한 이상 현상을 매개하는 편성자 $A$의 허용 가능한 질량 범위는 무엇인가?
• RQ3 13 TeV에서 30 fb$^{-1}$ 및 100 fb$^{-1}$의 통합 루미노시티로 LHC가 $pp \to t\bar{t} \to WbAc \to jjbc\tau\bar{\tau}$ 신호를 얼마나 효율적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ4 다양한 $m_A$ 값에 대해 LHC 데이터가 배제할 수 있는 $2\sigma$ 상한선은 $\text{Br}(t \to Ac)$의 브랜치 비율에 대해 무엇인가?
• RQ5 $M_{\tau\tau}$ 및 $m_{j_c\tau\tau}$를 통한 $m_A$의 운동학적 재구성은 신호 감도를 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• $R(D^{(*)})$ 및 μ자 $g-2$ 이상 현상은 편성자 $A$의 질량이 20 GeV에서 150 GeV 사이일 경우, 2HDM에서 토퍼 FCNC 쿠플링을 통해 동시에 설명될 수 있다.
• 편성자 $A$는 $t \to Ac$를 통해 생성되며 주로 $\tau\bar{\tau}$로 붕괴되며, 타당한 매개변수 공간 내에서 $t \to Ac$의 브랜치 비율은 1%에서 16% 사이이다.
• 13 TeV에서 30 fb$^{-1}$ 데이터 세트로는 $2\sigma$ 상한선이 거의 모든 타당한 매개변수 공간을 배제할 수 있으며, 오직 $m_A = 20$ GeV 또는 $m_A = 150$ GeV 근처에 남아 있는 몇몇 경우만 살아남는다.
• 100 fb$^{-1}$ 데이터 세트로는 $2\sigma$ 상한선이 두 이상 현상과 일치하는 모든 타당한 매개변수 공간을 완전히 배제할 수 있다.
• 신호 유의도 계산 결과, 선택 후 토퍼 쿼크의 횡단면은 61.3 fb로 감소하였으며, 배경 기여는 $Z+b\bar{b}/c\bar{c}$에 대해 0.12 fb, $tZ$에 대해 0.03 fb였다.
• $m_{j_c\tau\tau}$, $m_{j_bj_1j_2}$, $m_{j_1j_2}$를 기반으로 하는 $\chi^2$ 최소화 기반의 운동학적 재구성 기법은 특히 낮은 $m_A$에서 신호 식별을 향상시킨다.