[논문 리뷰] Search for charged-lepton flavor violation in the production and decay of top quarks using trilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2360명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 13 TeV의 양성자-양성자 충돌에서 3 렙톤 최종 상태를 이용해 탑 쿼크 생성 및 붕괴에서의 전하 렙톤 품질 위반(CLFV)을 탐색한다. 138 fb⁻¹의 CMS 데이터를 바탕으로 부스터드 决定 트리(Boosted Decision Trees)를 적용하여, 업 쿼크 또는 찬지 쿼크를 통해 전자-뮤온 쌍으로 붕괴하는 탑 쿼크에 대한 윌슨 계수(0.024–0.424 TeV⁻²)와 분해율(최소 0.012 × 10⁻⁶)에 대해 현재까지 가장 엄격한 제한을 설정하였으며, 이는 표준모형과 일치한다.

ABSTRACT

A search is performed for charged-lepton flavor violating processes in top quark (t) production and decay. The data were collected by the CMS experiment from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV and correspond to an integrated luminosity of 138 fb-1. The selected events are required to contain one opposite-sign electron-muon pair, a third charged lepton (electron or muon), and at least one jet of which no more than one is associated with a bottom quark. Boosted decision trees are used to distinguish signal from background, exploiting differences in the kinematics of the final states particles. The data are consistent with the standard model expectation. Upper limits at 95% confidence level are placed in the context of effective field theory on the Wilson coefficients, which range between 0.024–0.424 TeV-2 depending on the flavor of the associated light quark and the Lorentz structure of the interaction. These limits are converted to upper limits on branching fractions involving up (charm) quarks, t→eμu (t→eμc), of 0.032(0.498)×10-6, 0.022(0.369)×10-6, and 0.012(0.216)×10-6 for tensorlike, vectorlike, and scalarlike interactions, respectively.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 금지되어 있으나 새로운 물리학에 의해 예측되는, 탑 쿼크 생성 및 붕괴에서의 전하 렙톤 품질 위반(CLFV)을 탐색하기 위함.
• 탑 쿼크, 전하 렙톤, 업 또는 찬지 쿼크를 포함하는 차원-6 유효장이론 연산자 존재 여부를 조사하기 위함.
• 제트 및 품질 태깅 제약 조건을 갖춘 3 렙톤 최종 상태를 활용하여 이전 LHC 제한을 초월한 CLFV에 대한 민감도 향상.
• 특정 LFV 탑 쿼크 붕괴 모드에 대해 95% 신뢰수준 상한선을 윌슨 계수와 분해율에 대해 설정하기 위함.
• B-메손 품질 비정상 현상을 설명하는 모델을 테스트하기 위해, 이러한 새로운 물리학이 LHC에서 탑 쿼크 붕괴에 나타날 수 있는지 조사하기 위함.

제안 방법

• CMS 실험에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용한다.
• 반대 전하의 전자-뮤온 쌍 1개, 제3의 렙톤(전자 또는 뮤온), 그리고 최대 1개의 b-제트를 포함하는 3 렙톤 최종 상태 선택 기준을 적용한다.
• 최종 상태 입자의 운동학적 특징을 이용해 신호와 배경을 구분하기 위해 부스터드 决定 트리(BDTs)를 사용한다.
• 즉각적 배경는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 모델링하고, 비즉각적 배경는 데이터 기반 제어 샘플을 이용한다.
• 결과를 유효장이론(EFT) 프레임워크 내에서 해석하며, CLFV를 차원-6 연산자와 윌슨 계수 C(6)a로 매개변수화한다.
• 관측된 윌슨 계수 제한을 바탕으로, t → eμu 및 t → eμc 붕괴에 대한 분해율 상한선을 텐서, 벡터, 스칼라 구조에 따라 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC는 3 렙톤 최종 상태를 통해 탑 쿼크 붕괴에서의 전하 렙톤 품질 위반에 대해 어느 정도 민감한가?
• RQ2 CLFV 신호와 주요 표준모형 배경 간의 3 렙톤 이벤트 운동학적 분포는 어떻게 다를까?
• RQ3 탑 쿼크와 품질 위반 전하 렙톤을 포함하는 차원-6 EFT 연산자에 대해, 가장 엄격한 95% 신뢰수준 윌슨 계수 제한은 무엇인가?
• RQ4 다양한 레이저스트럭처에서 t → eμu 및 t → eμc 붕괴의 분해율 상한선은 관측된 데이터로 어느 정도 제약을 받는가?
• RQ5 B-메손 품질 비정상 현상을 설명하는 새로운 물리학 모델은 LHC에서 탑 쿼크 CLFV를 통해 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 데이터는 표준모형 예측과 일치하며, 3 렙톤 최종 상태에서 유의미한 초과가 관측되지 않았다.
• 95% 신뢰수준 윌슨 계수 상한선은 관련 경량 쿼크의 품질과 레이저스트럭처에 따라 0.024에서 0.424 TeV⁻² 사이에 분포한다.
• 텐서 구조 상호작용의 경우 t → eμu 붕괴의 분해율 상한선은 0.032 × 10⁻⁶이며, 스칼라 구조 상호작용의 경우 0.012 × 10⁻⁶이다.
• 스칼라 구조 상호작용에서 가장 엄격한 제한이 설정되었으며, 이에 따라 t → eμc 붕괴의 분해율 상한선은 0.012 × 10⁻⁶이다.
• 이 결과들은 현재까지 탑 쿼크 붕괴에서의 CLFV 탐색 중 가장 민감한 결과이며, 이전 LHC 및 비-LHC 제한을 초월한다.
• 고다수 최종 상태에서 희귀한 품질 위반 신호를 분리하는 데 머신러닝(부스터드 결정 트리)의 효과성을 입증한다.