[논문 리뷰] Top quark rare decays in the standard model and beyond

B. Mele|ArXiv.org|2000. 03. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표준모형(SM) 내외에서의 top 쿼크 희귀 붕괴를 검토하며, 이론적 예측과 LHC의 감도에 중점을 둔다. SM 내 희귀 붕괴의 분해율은 $10^{-6}$ 이하로 떨어지며, LHC에서 검출 가능하지 않지만, 추가 힉스 보존이나 R-대칭 파괴를 초래하는 SUSY를 포함한 특정 확장 모델들은 붕괴율을 관측 가능한 수준($\sim10^{-4}$에서 $10^{-3}$)으로 증가시킬 수 있으며, 특히 비균일한 소프트 붕괴 항항을 가진 MSSM에서 $t \to ch^0$와 $t \to c\gamma$의 경우가 그러하다.

ABSTRACT

Theoretical predictions for the top quark rare decays are reviewed within and beyond the standard model. Expectations at the CERN Large Hadron Collider are discussed.

연구 동기 및 목표

• 표준모형(SM) 및 그 확장에서 top 쿼크 희귀 붕괴 채널의 이론적 가능성과 검출 가능성 평가.
• CERN 대형하드론충돌장치(LHC)가 새로운 입자나 비정상적인 결합을 포함한 희귀 top 붕괴에 대해 얼마나 민감한지 평가.
• 새로운 물리 모델(예: MSSM, 4번째 쿼크 가족, 2HDM)에서 LHC에서 관측 가능한 분해율에 도달할 수 있는 희귀 붕괴 채널 식별.
• 배경 및 운동학적 컷을 중심으로, 이론적 예측과 LHC 실험 기준 간의 비교.
• 특히 충전 힉스 또는 맛을 변화시키는 중성미소 힘을 포함한 특정 희귀 붕괴 서명에 대해 ATLAS 및 CMS 실험의 탐지 범위 결정.

제안 방법

• 표준모형에서 붕괴 분해율을 계산하기 위해 효과적 필드 이론과 양자장론의 페르미온 이론을 사용하며, 1-루프 및 트리 수준의 진폭을 포함.
• 배경 간섭을 고려하기 위해, 예를 들어 $b\mu\nu_\mu ee$ 최종 상태를 통한 $\Gamma(t\to bWZ)$와 같은 게이지 불변 정의를 적용.
• 운동학적 컷(예: $m_{ee} > 0.8M_Z$)과 검출기 시뮬레이션 근사치를 사용하여 방사성 붕괴 및 힉스 매개 붕괴를 평가.
• 확장된 모델 고려: 4번째 페르미온 가족, 2HDM, 균일한 소프트 붕괴와 비균일한 소프트 붕괴를 가진 MSSM, R-대칭 파괴를 초래하는 SUSY.
• GIM 억제 요인과 루프 수준 기여를 포함한 SM 및 BSM 진폭을 사용하여 분해율의 비교 분석 수행.
• ATLAS 및 CMS의 LHC 검출기 시뮬레이션 연구에 기반하여, 다양한 붕괴 채널에 대한 감도 기준치 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형에서, 특히 $t\to bWZ$, $t\to bWH$, $t\to cWW$의 경우 top 쿼크 희귀 붕괴의 분해율은 얼마인가?
• RQ2 MSSM과 비균일한 소프트 붕괴 항항을 가진 모델이나 R-대칭 파괴를 초래하는 SUSY와 같은 새로운 물리 모델은 $t\to cg$, $t\to c\gamma$, $t\to ch^0$와 같은 희귀 top 붕괴를 어떻게 증폭시키는가?
• RQ3 LHC는 희귀 top 붕괴에 대해 얼마나 민감한가? 현실적인 배경과 컷 조건을 고려할 때 어떤 채널이 실험적으로 탐지 가능한가?
• RQ4 MSSM과 같은 모델에서 $t\to bH^+$를 통해 충전 힉스 보존의 존재를 LHC가 탐지할 수 있는가? 기대되는 발견 범위는 무엇인가?
• RQ5 LHC 실험은 top 섹터에서의 비정상적인 맛을 변화시키는 중성미소 힘을 어느 정도까지 탐지할 수 있으며, 감도 기준치는 무엇인가?

주요 결과

• SM 내에서, 게이지 불변 정의를 사용한 $t\to bWZ$의 분해율은 약 $2\times10^{-6}$로 추정되며, 배경를 포함한 효과적 실험적 추정치는 $6\times10^{-7}$이다.
• SM 붕괴인 $t\to bWH$는 매우 억제되어 있으며, $m_H\gtrsim100$ GeV일 경우 $B(t\to bWH)\lesssim7\times10^{-8}$이다.
• $t\to cWW$ 붕괴는 강한 GIM 억제로 인해 $B(t\to cWW)\sim10^{-13}$로, SM 내에서 관측 불가능하다.
• 비균일한 소프트 붕괴 항항을 가진 MSSM에서, $B(t\to cg)\sim10^{-6}$이고 $B(t\to c\gamma)\sim10^{-8}$이며, LHC 감도에 가까워지지만 여전히 이를 밑도는 수준이다.
• R-대칭 파괴를 초래하는 SUSY 모델에서는 $B(t\to cg)\sim10^{-3}$, $B(t\to c\gamma)\sim10^{-5}$, $B(t\to cZ)\sim10^{-4}$로 나타나, 이 채널들은 관측 가능할 수 있다.
• MSSM에서 경량 CP-짝성 힉스의 경우 $t\to ch^0$ 붕괴는 $B\sim10^{-4}$에 도달할 수 있으며, $100~\text{fb}^{-1}$ 광도 조건에서 LHC 탐지 기준 이내에 들어간다.