[論文レビュー] Flavor-Changing Neutral-Current Decays in Top-Specific Variant Axion Model

Cheng-Wei Chiang, Hajime Fukuda+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、Peccei-Quinn対称性に電荷を帯びるヒッグスダブルレットによって媒介される、フレーバー変換型中性荷電現在（FCNC）崩壊 $ t \to h c $ を予測するトップ特化型のバリエーションaxionモデルを提案する。この崩壊はLHCランIIで検証可能であり、そのヘリシティ構造は角度分布を通じて測定可能であると示され、さらに右側のタウレプトンもPQ電荷を有する場合、CMSが報告した $ h \to \tau\mu $ 崩壊を説明可能であることが示された。パラメータ空間は現在の制約とLHC感度と整合的である。

ABSTRACT

The invisible variant axion model is very attractive as it is free from the domain wall problem. This model requires two Higgs doublets at the electroweak scale where one Higgs doublet carries a nonzero Peccei-Quinn (PQ) charge and the other is neutral under the PQ $\ ext U(1)$ symmetry. We consider the most interesting and less constrained scenario of the variant axion model, where only the right-handed top quark is charged under the PQ symmetry and couples with the PQ-charged Higgs doublet. As a result, the top quark can decay to the observed standard-model-like Higgs boson $h$ and the charm or up quark, $t\ o h~ c/u$, which is testable soon at the LHC Run-II. Moreover, we propose a method to probe the chiral nature of the Higgs flavor-changing interaction using the angular distribution of $t \ o ch$ decays if a sufficient number of such events are observed. We also show that our model has the capacity to explain the $h\ o\ au\\mu$ decay reported by the CMS Collaboration, if the right-handed tau lepton also carries a PQ charge and couples to the PQ-charged Higgs boson.

研究の動機と目的

• Peccei-Quinn対称性に基づく2ヒッグスダブルレットモデルにおけるフレーバー変換型中性荷電現在（FCNC）の素粒子物理学的性質を調査すること。ただし、PQ電荷は右側のトップクォークにのみ割り当てられる。
• 現在のヒッグス信号強度データとブランチング比制約を踏まえて、LHCにおける $ t \to h c $ 崩壊チャネルの実現可能性を評価すること。
• CMSが報告した異常な $ h \to \tau\mu $ 崩壊を説明できるかどうかを調査すること。これには、右側のタウレプトンへのPQ電荷の拡張を含む。
• 特に左側のトップクォークと右側のチアムクォークを好むFCNCカップリングの手のひら構造（chirality）が、トップ対生成における角度分布を通じて実験的に調査可能であることを示すこと。

提案手法

• Peccei-Quinn（PQ）対称性を持つ2ヒッグスダブルレットモデルを構築し、右側のトップクォークと1つのヒッグスダブルレットにのみ非ゼロのPQ電荷を割り当てる。
• ヤクバイカップリングと、標準模型に似たヒッグス粒子 $ h $、トップクォーク、チアムクォーク間のFCNC相互作用を導出し、混合角 $ \rho $ でパラメータ化する。
• ヒッグス信号強度データ（$ h \to \gamma\gamma, \tau\tau, bb, WW^*, ZZ^* $、および $ gg $）とLHCによる $ \text{BR}(t \to h c) $ の上限に基づいて、$ t \to h c $ のブランチング比を計算する。
• スピン相関付きトップ対生成における $ t \to h c $ 崩壊の角度分布を分析し、FCNCカップリングのヘリシティ構造を抽出する。
• 右側のタウレプトンに非ゼロのPQ電荷を追加することで、モデルを拡張し、同じPQ電荷を持つヒッグス粒子を介して $ h \to \tau\mu $ 崩壊を可能にする。
• CMSが観測した $ h \to \tau\mu $ 確率を用いて、混合パラメータ $ \rho_\tau $ とカップリング強度 $ a $ を制約し、$ t \to h c $ のブランチング比の上限と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のヒッグスデータと実験的上限を踏まえた場合、トップ特化型バリエーションaxionモデルはLHCで検出可能な $ t \to h c $ 崩壊を生じるか？
• RQ2 左側のトップと右側のチアムを好む $ t \to h c $ のFCNCカップリングの手のひら構造は、どのように実験的に調査可能か？
• RQ3 このモデルは、CMS共同研究が報告した異常な $ h \to \tau\mu $ 崩壊を説明できるか？
• RQ4 $ h \to \tau\mu $ を説明するパラメータ空間と、LHCランIIにおける $ t \to h c $ の感度領域との重複はどの程度か？
• RQ5 $ h \to \tau\mu $ 崩壊における $ \tau $ の偏光は、レプトン系のFCNCカップリングのヘリシティ構造を調査するために利用可能か？

主な発見

• $ t \to h c $ 崩壊のブランチング比は、許容可能なパラメータ空間の大部分においてLHCランIIの検出可能範囲内にあり、特にデカップリング限界において顕著である。
• モデルは、左側のトップクォークが右側のチアムクォークに強くカップルするヘリシティ強化型カップリングを予測しており、トップ対生成における角度分布を通じて調査可能である。
• CMSの $ h \to \tau\mu $ 信号を説明するパラメータ空間の大部分は、現在の $ \text{BR}(t \to h c) $ の上限と整合的であり、LHCランIIの感度範囲内にある。
• $ h \to \tau\mu $ に必要なカップリング強度は、$ |\sin \rho_\tau| \sim 1 $ の場合 $ a \simeq 0.6 $ であり、モデルは $ h \to \tau^- \mu^+ $ において左側の $ \tau^- $ を予測する。これはエネルギー分率分布を通じてテスト可能である。
• パラメータ領域が $ h \to \tau\mu $ を説明する範囲においても、$ \tau \to \mu\gamma $ 崩壊率は実験的上限をはるかに下回り、レプトンフレーバー不変破れの制約と整合的である。
• パラメータ空間は $ h \to \tau\mu $ 信号を含めることでわずかに拡大されるが、依然としてヒッグス信号強度データと $ t \to h c $ の制約と整合的である。