[논문 리뷰] Search for flavor changing neutral current interactions of the top quark in final states with a photon and additional jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Aram Hayrapetyan, A. Tumasyan외 2368명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서, 탑 쿼크가 중성미량 상호작용을 통해 빛과 업 쿼크 또는 찌름 쿼크로 붕괴하는 방식(t → uγ 또는 t → cγ)을 통해 탑 쿼크의 프레버러-변경 중성미량 상호작용(FCNC)을 탐색한다. 신호와 배경을 구분하기 위해 다변량 분석 기법을 활용하여, 현재까지 가장 엄격한 95% 신뢰수준의 한계를 설정한다: B(t → uγ) < 0.95 × 10⁻⁵ 및 B(t → cγ) < 1.51 × 10⁻⁵이며, 특히 후자는 이전 결과보다 크게 향상되었다.

ABSTRACT

A search for the production of a top quark in association with a photon and additional jets via flavor changing neutral current interactions is presented. The analysis uses proton-proton collision data recorded by the CMS detector at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The search is performed by looking for processes where a single top quark is produced in association with a photon, or a pair of top quarks where one of the top quarks decays into a photon and an up or charm quark. Events with an electron or a muon, a photon, one or more jets, and missing transverse momentum are selected. Multivariate analysis techniques are used to discriminate signal and standard model background processes. No significant deviation is observed over the predicted background. Observed (expected) upper limits are set on the branching fractions of top quark decays: $\mathcal{B}$(t$ o$u$\gamma$) $\lt$ 0.95$ imes$10$^{-5}$ (1.20$ imes$10$^{-5}$) and $\mathcal{B}$(t$ o$c$\gamma$) $\lt$ 1.51$ imes$10$^{-5}$ (1.54$ imes$10$^{-5}$) at 95% confidence level, assuming a single nonzero coupling at a time. The obtained limit for $\mathcal{B}$(t$ o$u$\gamma$) is similar to the current best limit, while the limit for $\mathcal{B}$(t$ o$c$\gamma$) is significantly tighter than previous results.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 탑 쿼크의 프레버러-변경 중성미량 상호작용(FCNC)을 t → qγ 붕괴(q = u, c)를 통해 탐색하는 것.
• 표준모형을 초월한 B(t → uγ) 및 B(t → cγ) 붕괴 분율에 대한 향상된 실험적 한계를 설정하는 것.
• R-포탄 보존 위반을 포함한 초대칭, 이중 힉스 두중자 모델, 테크니컬러와 같은 새로운 물리 현상 시나리오를 탐구하여 FCNC 결합을 증폭시킬 수 있는지 확인하는 것.
• tqγ FCNC 정점에 대해 기술하는 디멘션-육의 효과적 장 이론 프레임워크를 시험하는 것.

제안 방법

• 2016년부터 2018년까지 CMS 검출기에서 수집한 통합 루미너시 138 fb⁻¹인 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌 데이터를 사용한다.
• 전자 또는 뮤온, 한 개 이상의 광자, 한 개 이상의 제트, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함하는 사건을 선별하며, 이는 FCNC 과정에서 W → lν 및 b → q (q = u, c) 붕괴를 통해 탑 쿼크 붕괴와 일치한다.
• 신호는 디멘션-육의 연산자를 포함하는 효과적 장 이론 라그랑지안으로 모델링되며, tqγ 정점에 대해 좌우 편극성을 모두 포함한다.
• 주요 표준모형 배경, 예를 들어 양자 쿼크 쌍 생성 및 방사선을 동반한 단일 탑 쿼크 생성과 같은 배경을 억제하기 위해 다변량 분석 기법을 활용한다.
• 분석은 두 가지 생산 모드를 고려한다: 광자를 동반한 단일 탑 쿼크 생성(ST) 및 한 쿼크가 FCNC를 통해 광자와 경량 쿼크로 붕괴하는 탑 쿼크 쌍 생성(TT).
• 단일 비제로 커플링이 존재할 경우를 가정하여, 프로파일-가능도 방법을 사용하여 95% 신뢰수준에서 붕괴 분율에 대한 상한을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탑 쿼크 붕괴에서 FCNC 상호작용에 기인한 붕괴 분율 B(t → uγ)에 대한 현재 실험적 한계는 무엇인가요?
• RQ2 탑 쿼크 붕괴에서 FCNC 상호작용에 기인한 붕괴 분율 B(t → cγ)에 대한 현재 실험적 한계는 무엇인가요?
• RQ3 새로운 한계는 CMS 및 ATLAS 협력단의 이전 결과와 비교하여 어떻게 다릅니까?
• RQ4 디멘션-육의 연산자를 사용하는 효과적 장 이론 프레임워크는 관측된 tqγ FCNC 결합에 대한 제약 조건을 설명할 수 있나요?
• RQ5 13 TeV에서 광자와 제트를 포함하는 최종 상태에서 CMS 검출기가 탑 쿼크 FCNC 붕괴에 대해 얼마나 민감한가요?

주요 결과

• 관측된 t → uγ에 대한 95% 신뢰수준 상한은 B(t → uγ) < 0.95 × 10⁻⁵이며, 현재까지 가장 엄격한 한계와 일치한다.
• 관측된 t → cγ에 대한 95% 신뢰수준 상한은 B(t → cγ) < 1.51 × 10⁻⁵이며, 이는 이전 결과보다 상당한 향상이다.
• 기대되는 상한은 B(t → uγ)가 1.20 × 10⁻⁵이고, B(t → cγ)는 1.54 × 10⁻⁵이며, 이는 좋은 통계적 능력을 시사한다.
• 표준모형 배경과의 상당한 이격이 관측되지 않아, 현재 민감도 수준에서 FCNC 상호작용의 부재를 지지한다.
• B(t → cγ)에 대한 한계는 이전 ATLAS 협력단이 보고한 4.2 × 10⁻⁵(좌측 편극성 기준)보다 더 엄격하다.
• 다변량 분석이 주요 표준모형 배경을 효과적으로 억제하고 희귀한 FCNC 과정에 대한 민감도를 향상시키는 데 효과적임을 확인하였다.