[논문 리뷰] Search for charged-lepton flavor violation in top quark production $\sqrt{s}$ =13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 65인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LHC에서 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 사용하여, 탑 쿼크 생성 및 붕괴에서의 전하 렙톤 편미분 위반(CLFV)을 탐색한다. 효과적 장 이론 프레임워크를 통해, 95% 신뢰수준에서 현재까지 가장 엄격한 관측한도를 제시하며, 벡터 상호작용의 경우 0.13 × 10⁻⁶, 스칼라 상호작용의 경우 0.07 × 10⁻⁶, 텐서 상호작용의 경우 0.25 × 10⁻⁶로, 탑 쿼크의 eμ 쌍으로의 붕괴 분획에 대한 한도를 설정한다.

ABSTRACT

Results are presented from a search for charged-lepton flavor violating (CLFV) interactions in top quark production and decay in pp collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The events are required to contain one oppositely charged electron-muon pair in the final state, along with at least one jet identified as originating from a bottom quark. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$, collected by the CMS experiment at the LHC. This analysis includes both the production (q $ o$ e$μ$t) and decay (t $ o$ e$μ$q) modes of the top quark through CLFV interactions, with q referring to a u or c quark. These interactions are parametrized using an effective field theory approach. With no significant excess over the standard model expectation, the results are interpreted in terms of vector-, scalar-, and tensor-like CLFV four-fermion effective interactions. Finally, observed exclusion limits are set at 95% confidence levels on the respective branching fractions of a top quark to an e$μ$ pair and an up (charm) quark of 0.13 $ imes$ 10$^{-6}$ (1.31 $ imes$ 10$^{-6}$), 0.07 $ imes$ 10$^{-6}$ (0.89 $ imes$ 10$^{-6}$), and 0.25 $ imes$ 10$^{-6}$ (2.59 $ imes$ 10$^{-6}$) for vector, scalar, and tensor CLFV interactions, respectively.

연구 동기 및 목표

• 효과적 장 이론을 통해 탑 쿼크 생성 및 붕괴에서의 전하 렙톤 편미분 위반(CLFV)을 탐색하기 위해.
• 레프토퀴어크 및 확장된 힉스 모형을 포함한, CLFV를 예측하는 이론적 모델을 테스트하기 위해.
• eμ 최종 상태를 포함하는 희귀 탑 쿼크 붕괴에 대한 개선된 실험적 한도를 설정하기 위해.
• 탑 쿼크 CLFV와 렙톤 유니버설리티 위반을 포함하는 B 메손 붕괴에서의 이상 현상 간의 연관성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 차원 6 연산자를 사용한 효과적 장 이론 접근법을 통해 탑 쿼크 생성 및 붕괴에서의 CLFV 상호작용을 모델링한다.
• CLFV 꼬리에 의해 유도되는 t → eμq 붕괴 모드와 q → eμt 생성 모드를 모두 분석한다.
• 벡터, 스칼라, 텐서 4 Fermion 연산자를 사용하여, 탑 쿼크, 업 또는 채르 쿼크, 그리고 맛 혼합된 전하 렙톤을 포함하는 CLFV 상호작용을 매개변수화한다.
• 감도를 높이기 위해, 하나의 eμ 쌍과 최소한 하나의 b-제트를 요구하는 이벤트 선택 기준을 적용한다.
• 배경 추정을 위해 표준모형 과정을 사용하고, 제어 영역과 시뮬레이션을 통해 검증한다.
• 통계적 방법을 사용하여 t → eμq 붕괴의 브랜치 분획에 대한 95% 신뢰수준 배제 한도를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서의 CLFV 상호작용에 의해 매개되는 탑 쿼크의 eμ 쌍으로의 붕괴에 대해 현재까지 가장 엄격한 한도는 무엇인가요?
• RQ2 관측된 한도는 벡터, 스칼라, 텐서 유형의 CLFV 4 Fermion 상호작용를 어떻게 제약하는가요?
• RQ3 탑 쿼크 붕괴에서 관측된 CLFV 신호는 렙톤 유니버설리티 위반을 포함하는 B 메손 붕괴에서의 이상 현상을 설명할 수 있는가요?
• RQ4 LHC는 CLFV를 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리 스케일을 탑 쿼크 영역에서 얼마나 민감하게 탐지할 수 있는가요?
• RQ5 레프토퀴어크 또는 이중 힉스 두중모형과 같은 모델의 이론적 예측과 결과는 어떻게 비교되는가요?

주요 결과

• 표준모형 배경에 비해 유의미한 초과가 관측되지 않아, 95% 신뢰수준에서 배제 한도가 도출되었다.
• 벡터 유형 CLFV 상호작용의 경우, t → eμq 붕괴의 관측한계는 0.13 × 10⁻⁶이다.
• 스칼라 유형 CLFV 상호작용의 경우, t → eμq 붕괴의 관측한계는 0.07 × 10⁻⁶이다.
• 텐서 유형 CLFV 상호작용의 경우, t → eμq 붕괴의 관측한계는 0.25 × 10⁻⁶이다.
• t → eμc 붕괴의 브랜치 분획에 대한 한도는 각각 1.31 × 10⁻⁶(벡터), 0.89 × 10⁻⁶(스칼라), 2.59 × 10⁻⁶(텐서)이다.
• 이 결과들은 LHC 런 2 데이터에서 탑 쿼크 CLFV 붕괴에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약 조건을 제공한다.