[논문 리뷰] Large $t o cZ$ as a Sign of Vector-Like Quarks in Light of the $W$ Mass

Andreas Crivellin, M. Kirk외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 벡터-형상 쿼크( VLQs)의 서명으로서 탑 쿼크 붕괴 $t \to cZ$를 조사하며, 세 가지 VLQ 표현형 $U$, $Q_1$, $Q_7$ 가 표준모형 효과적 필드이론(SMEFT)에 일주기 매칭을 통해 표준모형의 큰 $W$ 보손 질량 측정치를 동시에 설명하고, 각각 $10^{-6}$, $10^{-5}$, $10^{-4}$의 붕괴 비율을 생성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The rare flavour changing top quark decay $t o cZ$ is a clear sign of new physics and experimentally very interesting due to the huge number of top quarks produced at the LHC. However, there are few (viable) models which can generate a sizable branching ratio for $t o cZ$ -- in fact vector-like quarks seem to be the only realistic option. In this paper, we investigate all three representations (under the Standard Model gauge group) of vector-like quarks ($U$, $Q_1$ and $Q_7$) that can generate a sizable branching ratio for $t o cZ$ without violating bounds from $B$ physics. Importantly, these are exactly the three vector-like quarks which can lead to a sizable positive shift in the prediction for $W$ mass, via the couplings to the top quark also needed for a sizable Br($t o cZ$). Calculating and using the one-loop matching of vector-like quarks on the Standard Model Effective Field Theory, we find that Br($t o cZ$) can be of the order of $10^{-6}$, $10^{-5}$ and $10^{-4}$ for $U$, $Q_1$ and $Q_7$, respectively and that in all three cases the large $W$ mass measurement can be accommodated.

연구 동기 및 목표

• CDF에서 측정한 큰 $W$ 보손 질량과 상당한 크기의 희귀 붕괴 $t \to cZ$ 붕괴 비율을 동시에 설명할 수 있는 타당한 새로운 물리 모형을 규명하는 것.
• 트리 수준 쿠플링을 통해 $t \to cZ$를 생성하면서도 $B$ 물리 관측량에 큰 기여를 하지 않는 벡터-형상 쿼크(VLQs)의 역할을 분석하는 것.
• VLQ를 표준모형 효과적 필드이론(SMEFT)에 일주기 매칭하여 $W$ 질량과 $t \to cZ$ 붕괴 비율에 대한 영향을 평가하기 위해 윌슨 계수를 계산하는 것.
• 형태가 $U$, $Q_1$, $Q_7$인 VLQ 표현형 중에서 흔한 쿼크-형상 중성미류 전이를 일으키지 않으면서 큰 $t \to cZ$ 붕괴 비율을 낼 수 있는 것을 규명하는 것.
• 이러한 모형 내에서 $S$ 및 $T$ 매개변수에 대한 기여를 통해 관측된 $W$ 질량 이격 현상이 어떻게 수렴 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• VLQ를 표준모형 효과적 필드이론(SMEFT)에 일주기 매칭하여 윌슨 계수 $C_{Hq}^{(1)}$, $C_{Hq}^{(3)}$, $C_{Hu}$, $C_{uH}$, $C_{HD}$, $C_{HWB}$를 계산하는 것.
• SMEFT 라그랑지안을 사용하여 $t \to cZ$ 및 $t \to ch$ 붕괴 진폭을 윌슨 계수, 특히 $Z$ 보손 쿠플링에 대해 $C_{Hq}^{(1)} - C_{Hq}^{(3)}$ 와 $C_{Hu}$에 기반하여 연결하는 것.
• $C_{HD}$ 및 $C_{HWB}$를 통해 $W$ 보손 질량에 대한 루프 유도 기여를 계산하여 $S$ 및 $T$ 매개변수를 변화시키는 것.
• 공식 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \approx 0.47 |\lambda_{tcZ}|^2$ 를 사용하여 브랜치 비율을 수치적으로 평가하며, $\lambda_{tcZ}$ 는 SMEFT 계수에서 유도된 것임.
• $B$ 물리학 및 $b \to s\ell\ell$ 데이터로부터의 제약 조건을 평가하여 모형의 타당성을 확보하는 것.
• 정밀도 추정을 단순화하기 위해 카불라-마이크로니카 행렬을 항등행렬로 사용하여 핵심 물리학을 유지하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벡터-형상 쿼크는 $B$ 물리학 제약 조건을 위반하지 않으면서도 상당한 크기의 $t \to cZ$ 희귀 붕괴 비율을 생성할 수 있는가?
• RQ2 어느 VLQ 표현형($U$, $Q_1$, $Q_7$)이 CDF의 $W$ 질량 측정치와 큰 $t \to cZ$ 비율을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ3 VLQ에서 기인하는 루프 보정이 SMEFT 프레임워크 내에서 $W$ 보손 질량 예측에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 $U$, $Q_1$, $Q_7$ VLQ를 포함한 모형에서 $\mathrm{Br}(t \to cZ)$ 와 $\mathrm{Br}(t \to ch)$ 의 정량적 예측은 무엇인가?
• RQ5 $W$ 질량 이상 현상은 $t \to cZ$ 를 담당하는 동일한 새로운 물리 섹터에 의해 설명될 수 있는가, 이는 공통의 VLQ 쿠플링 집합을 통해 이루어지는가?

주요 결과

• 벡터-형상 쿼크의 $U$ 표현형은 현재 실험적 한계와 일치하는 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \sim 10^{-6}$ 의 붕괴 비율을 생성할 수 있다.
• $Q_1$ 표현형은 더 큰 붕괴 비율인 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \sim 10^{-5}$ 를 낳으며, 향후 LHC 탐색의 범위 내에 있다.
• $Q_7$ 표현형은 가장 큰 붕괴 비율인 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \sim 10^{-4}$ 를 생성하여 관측 가능성에서 가장 유망한 후보이다.
• 세 VLQ 표현형($U$, $Q_1$, $Q_7$) 모두 $S$ 및 $T$ 매개변수에 대한 루프 기여를 통해 $W$ 보손 질량 이격 현상을 긍정적으로 기여하여 CDF 측정치를 수용할 수 있다.
• $t \to cZ$ 붕괴 진폭은 주로 $C_{Hq}^{(3)} - C_{Hq}^{(1)}$ 와 $C_{Hu}$ 에 의해 지배되며, 이는 VLQ를 SMEFT에 일주기 매칭함으로써 생성된다.
• 해당 모형은 $B$ 물리학 제약 조건을 충족하는 이유는 특정 VLQ에 대해 관련 $Z$-쿼크 쿠플링이 표준모형과 유사하게 유지되어 위험한 형상 중성미류 전이를 억제하기 때문이다.