[논문 리뷰] Search for FCNC in top quark production and decays

R. Goldouzian|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CDF, D0, ATLAS, CMS 협력 연구진이 수행한 탑 쿼크 붕괴 및 생성에서의 맛 변화가 있는 중성미자 상호작용(FCNC)에 대한 실험적 탐색을 종합적으로 검토한다. 효과적 라그랑지안 모델과 다변량 분석을 활용하여 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 브랜치 비율에 대한 95% 신뢰수준 상한은 $t \to cH$의 경우 0.79%, $t \to u g$의 경우 0.0031%, $t \to u Z$의 경우 0.05%로, 지금까지 가장 엄격한 제약 조건을 설정하였다.

ABSTRACT

An overview of searches for top quark flavour changing neutral currents (FCNC) from the CDF, D0, ATLAS and CMS collaborations is presented. The FCNC interactions of top quarks are probed through the anomalous decays and production channels. No clear evidence for the presence of the signal is observed in none of the searches and the upper limits are set at 95% confidence level (CL) on the cross sections, anomalous couplings and the branching ratios.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 서명으로서 탑 쿼크의 맛 변화가 있는 중성미자 상호작용(FCNC)을 탐색하기 위해.
• 상형 쿼크와 중성 게이지 또는 힉스 보존에 대한 이례적인 탑 쿼크 결합에 대한 실험적 한계를 설정하기 위해.
• 다양한 최종 상태와 실험의 결과를 통합하여 새로운 물리학에 대한 민감도를 향상시키기 위해.
• LHC와 테바트론에서 고에너지 $t\bar{t}$ 사건을 이용해 GIM 메커니즘의 강건성을 테스트하기 위해.
• 향후 탑 쿼크 붕괴에서 증폭된 FCNC 비율을 예측하는 모델들을 위한 기준 한계를 제공하기 위해.

제안 방법

• Z, $\gamma$, g, H 보손과의 이례적인 탑 쿼크 FCNC 결합을 모델링하기 위해 효과적 라그랑지안 접근법을 사용하였다.
• 신호 및 배경 과정을 시뮬레이션하기 위해 몬테카를로 이벤트 생성기(MadGraph5, Pythia, PROTOS 등)를 사용하였다.
• FCNC 신호를 표준모형 배경과 구별하기 위해 다변량 분석 기법(BNN, BDT)을 적용하였다.
• 관측된 질량 창, 제트 및 렙톤 식별, 그리고 부족한 횡방향 에너지 기반의 운동학적 선택 조건을 구현하였다.
• 다이포톤 및 다중 렙톤 최종 상태에 대한 우도 적합을 수행하여 브랜치 비율에 대한 상한을 추출하였다.
• 기존의 다중 렙톤 및 다이포톤 탐색을 재해석하여 FCNC 민감도를 갖는 관측량을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탑 쿼크가 상형 쿼크와 힉스 보존($t \to qH$)으로 붕괴할 경우의 현재 실험적 브랜치 비율 한계는 무엇인가요?
• RQ2 다양한 실험과 중심질량 에너지에서 $t \to q\gamma$, $t \to qZ$, $t \to qg$에 대한 관측된 상한은 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ3 히iggs 보존이 $\gamma\gamma$로 붕괴하는 $t\bar{t}$ 사건에서 이례적인 탑 쿼크 FCNC 결합의 존재를 감지할 수 있나요?
• RQ4 Z, $\gamma$, 글루온과 관련된 탑 쿼크 FCNC 상호작용에 대해 단일 탑 및 $t\bar{t}$ 최종 상태의 민감도는 어떻게 되나요?
• RQ5 ATLAS, CMS, CDF, D0 실험 간의 $BR(t \to q\gamma)$ 대 $BR(t \to qZ)$ 평면에서의 한계는 어떻게 비교될 수 있나요?

주요 결과

• CDF, D0, ATLAS, CMS에서 어떤 FCNC 탐색에서도 표준모형 배경을 초월하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• ATLAS 협력 연구진이 7 및 8 TeV 데이터 총 25 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $BR(t \to cH)$에 대한 가장 엄격한 95% 신뢰수준 상한 0.79%를 설정하였다.
• ATLAS 협력 연구진은 8 TeV 데이터 총 14.2 fb$^{-1}$ 를 기반으로 $BR(t \to u g)$에 대해 0.0031%의 가장 엄격한 한계를 설정하였으며, $BR(t \to c g)$의 경우 0.016%의 한계를 설정하였다.
• CMS 협력 연구진은 8 TeV 데이터 총 19.5 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $BR(t \to cH)$에 대해 95% 신뢰수준 상한 0.56%를 보고하였다.
• $t \to qZ$ 붕괴의 경우, 가장 엄격한 한계는 CMS가 7 및 8 TeV 데이터 총 24.7 fb$^{-1}$ 를 사용하여 $BR(t \to uZ)$에 대해 0.05%로 보고하였다.
• 다양한 실험의 통합 한계는 현재 실험적 탐색 범위가 특정 새로운 물리학 모델이 예측하는 영역에 가까워지고 있음을 보여준다.