[논문 리뷰] Top quark rare decays in a two Higgs doublet model for the top

Itzhak Baum|ArXiv.org|2007. 11. 08.

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한 줄 요약

이 논문은 토프 쿼크가 유일하게 두 번째 힉스 두중에 쌍극자로 연결되는 두 힉스 두중 모형(T2HDM)에서 토프 쿼크의 희귀 붕괴를 조사한다. 이로 인해 풍미 변화 상호작용이 강화된다. 연구 결과, $ t \to cH^0 $ 및 $ H^0 \to \bar{t}c $의 분해비율이 표준모형과 2HDM-I,II에 비해 수십 개의 지수만큼 증가하여 최대 $ \sim 10^{-4} $에 이를 수 있으며, 이는 $ 5 \times 10^{-5} $ 이상일 경우 LHC에서 검출 가능할 수 있다.

ABSTRACT

The two Higgs doublet model for the top (T2HDM) is a 2HDM in which the top quark receives a special status, which endows it with a naturally large mass, and also gives rise to unique FC charged and neutral scalar interactions. We calculate the BR of the t->ch and h->tc rare decays in the T2HDM, at 1-loop and tree level. We find that the FC scalar interactions play a significant role in these decays. We find that the BR of these decays at 1-loop level in the T2HDM can be significantly enhanced over the 2HDM-I,II, reaching up to ~10^-4, and that the BR(t->ch) in the T2HDM can be detected at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 토프 쿼크가 유일하게 두 번째 힉스 두중에 연결되는 두 힉스 두중 모형의 의미를 탐구하기 위해.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 통한 토프 쿼크와 챔프 쿼크를 포함한 풍미 변화(FC) 붕괴의 잠재적 증가 가능성을 조사하기 위해.
• T2HDM, 표준모형, 2HDM-I,II에서 희귀 붕괴 $ t \to cH^0 $ 및 $ H^0 \to \bar{t}c $의 분해비율을 계산하고 비교하기 위해.
• 특히 $ \tan\beta $ 가 큰 영역에서의 매개변수 공간에서 LHC에서 이러한 희귀 붕괴가 검출 가능한지 판단하기 위해.
• 일주위에서의 진폭 계산의 일관성을 검증하기 위해, 고전적 발산의 상쇄가 이루어지는지 확인하기 위해.

제안 방법

• T2HDM의 요카다 및 힉스 포텐셜을 원칙에서 유도하여, 스칼라-쿼크 및 삼중 스칼라 상호작용의 정점 구조를 명시적으로 구성한다.
• T2HDM에 대해 유도된 파인먼 규칙를 사용하여 $ t \to cH^0 $ 및 $ H^0 \to \bar{t}c $의 1-루프 및 트리 수준 진폭을 계산한다.
• 루프 적분에서의 고전적 발산을 다루기 위해 $ \varepsilon = 4 - d $ 를 사용한 차원 정규화를 적용한다.
• 모든 1-루프 다이어그램에서 $ \frac{1}{\varepsilon} $ 극의 상쇄를 검증하여, 국소화군 불변성과 자기 일관성을 확보한다.
• 히긴스 및 토프 쿼크의 총 붕괴 너비를 사용하여 분해비율을 계산하고, T2HDM, SM, 2HDM-I,II 간에 결과를 비교한다.
• 최대 증폭이 발생하는 영역을 탐색하기 위해 $ m_{H^+}, m_{h^0}, m_{A^0}, \tan\beta $ 의 매개변수 공간에 대해 수치적 스캔을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T2HDM는 표준모형과 2HDM-I,II에 비해 희귀 토프 붕괴 $ t \to cH^0 $ 의 분해비율을 크게 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 T2HDM에서 $ H^0 \to \bar{t}c $ 붕괴는 어느 정도 증가할 수 있으며, LHC에서 접근 가능한가?
• RQ3 T2HDM의 매개변수 공간에서 풍미 변화 붕괴의 최대 증폭이 발생하는 영역은 어디인가?
• RQ4 $ t \to cH^0 $ 및 $ H^0 \to \bar{t}c $ 에서 1-루프 및 트리 수준 기여의 크기와 구조는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 고전적 발산의 상쇄가 관찰되어 일관성을 보여주는가?

주요 결과

• T2HDM에서 $ \text{BR}(t \to cH^0) $ 는 표준모형과 2HDM-I,II에 비해 수십 개의 지수만큼 증가하여 최대 $ \sim 10^{-4} $ 에 이를 수 있다.
• T2HDM에서 $ \text{BR}(H^0 \to \bar{t}c) $ 는 $ 10^{-4} $ 를 초과할 수 있으며, 표준모형과 2HDM-I,II보다 현저히 크다.
• 증폭은 특히 큰 $ \tan\beta $ 와 $ m_{H^+}, m_{h^0}, m_{A^0} $ 의 특정 조합에서 중성 힉스 섹터가 지배하는 영역에서 가장 두드러진다.
• LHC는 $ \text{BR}(t \to cH^0) $ 가 $ \sim 5 \times 10^{-5} $ 를 초과할 경우 이를 탐지할 수 있으며, 논문은 이러한 임계값이 T2HDM의 특정 매개변수 영역에서 도달됨을 발견했다.
• 1-루프 진폭 계산에서 고전적 발산의 상쇄가 분석적 및 수치적으로 확인되어 계산의 일관성이 검증되었다.
• 수치적 결과는 $ \text{BR}(t \to cH^0) $ 가 $ \tan\beta $ 에 따라 증가하고, 양성 힉스 질량에 민감하며, $ \tan\beta \sim 28 $ 와 $ m_{H^+} \sim 660 \, \text{GeV} $ 에서 최대값을 보임을 보여준다.