[논문 리뷰] Probing the Anomalous FCNC tqgamma Couplings at Large Hadron electron Collider

I. Turk Cakir, A. Yılmaz외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 대형 하드론 전자 충돌기(LHeC)에서 $e^{-}p \to e^{-}W^{ ext{±}}q + X$ 과정를 통해 탑 쿼크의 비정상적인 허용성 변화 중성미자(FCNC) 결합을 조사한다. 500 fb$^{-1}$의 루미너스티를 사용하고 빠른 검출기 시뮬레이션을 적용하여, 3σ의 신뢰수준에서 $\lambda_u = 0.012$ 및 $\lambda_c = 0.032$의 상한선을 설정하였으며, 이는 이전의 LHC 및 HERA의 결과보다 한 단계 높은 정밀도를 확보하였다. 특히 $t \to c\gamma$의 경우, 이는 기존의 한계를 약 10배 향상시킨다.

ABSTRACT

We investigate the anomalous flavour changing neutral current (FCNC) interactions of top quark through the process $e^{-}p o e^{-}W^{\pm}q+X$. We calculate the signal and background cross sections in electron proton collisions at Large Hadron electron Collider (LHeC) with a 7 TeV proton beam from the LHC and a new 60 GeV electron beam from energy recovery linac (ERL). We study the relevant background processes including one electron and three jets in the final state. The distributions of the invariant mass of two jets and an additional jet tagged as $b$-jet are used to account signal and background events after the analysis cuts. We find upper bounds on anomalous FCNC couplings $λ$ of the order of $10^{-2}$ at LHeC for a luminosity projection of $100$ fb$^{-1}$ together with the fast simulation of detector effects. As a matter of interest, we analyze the sensitivity to the couplings $(λ_{u},λ_{c})$ and find an enhanced sensitivity to $λ_{c}$ at the LHeC when compared to the results from the HERA.

연구 동기 및 목표

• LHeC에서 전자-질량 충돌을 통해 탑 쿼크의 비정상적인 FCNC 결합 $tq\gamma$를 탐색한다.
• 표준모형을 초월한 $t\to u\gamma$ 및 $t\to c\gamma$ 붕괴에 대한 LHeC의 민감도를 평가한다.
• 청결한 $ep$ 충돌 환경을 통해 HERA 및 LHC의 기존 실험 한계를 향상시킨다.
• 빠른 시뮬레이션을 통해 검출기 효과 및 배경 과정이 신호 민감도에 미치는 영향을 평가한다.
• HERA 및 LHC와 비교하여 LHeC의 $\lambda_c$ 민감도를 분석하고, $c$-쿼크 기여에 대한 더 넓은 탐색 능력을 강조한다.

제안 방법

• 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 기술하기 위해 비정상적인 FCNC 결합 $\lambda_q^{L,R}$를 포함하는 효과적 라그랑지안 프레임워크를 사용한다.
• 7 TeV의 질량 빔과 60 GeV의 전자 빔을 사용하여 LHeC에서 $e^{-}p \to e^{-}W^{\text{±}}q + X$ 과정를 분석하며, 한 개의 고립 전자, 두 개의 제트, 한 개의 $b$-제트를 포함하는 최종 상태에 집중한다.
• 주요 배경 과정 $B1$ (한 개의 전자, 세 개의 제트)와 신호를 구별하기 위해 분석 절차를 적용하고, 두 제트의 진동 질량 분포 및 $b$-태깅된 제트의 진동 질량 분포를 활용한다.
• 신호 및 배경 이벤트 재구성에 현실적인 검출기 효과를 포함하기 위해 Delphes를 사용한 빠른 검출기 시뮬레이션을 수행한다.
• 1 fb$^{-1}$에서 1 ab$^{-1}$까지의 루미너스티 예측에 기반하여 $\chi^2$ 기반의 신뢰도 추정을 통해 통계적 의미도(Statistical Significance, SS) 및 $\lambda_u$, $\lambda_c$의 상한선을 계산한다.
• 결합 한계를 $\Gamma(t\to q\gamma) = \frac{1}{8}\alpha_e \lambda_q^2 m_t$ 공식을 사용하여 붕괴 비율로 변환하여 다른 실험과의 비교를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고루미너스티 조건에서 LHeC는 비정상적인 $tq\gamma$ FCNC 결합에 대해 어느 정도 민감도를 가지는가?
• RQ2 $\lambda_u$ 및 $\lambda_c$의 상한선은 HERA 및 LHC의 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 운동역학적 및 위상공간 효과를 고려할 때, LHeC는 $t\to c\gamma$에 대해 $t\to u\gamma$보다 더 높은 민감도를 가지는가?
• RQ4 검출기 효과 및 배경 과정은 $tq\gamma$ 결합 측정의 탐색 범위에 어느 정도 제한을 가하는가?
• RQ5 LHeC는 하이브리드 루미너스티 LHC(HL-LHC)에 비해 탑 쿼크 FCNC 붕괴에 대해 상당한 민감도 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 통합 루미너스티 500 fb$^{-1}$ 조건에서 LHeC는 $tu\gamma$ 결합에 대해 3σ의 신뢰수준에서 상한선 $\lambda_u = 0.012$를 확보하였다.
• $tc\gamma$ 결합의 경우, 500 fb$^{-1}$에서 3σ 상한선은 $\lambda_c = 0.032$이며, 이는 $\lambda_u$에 비해 $\lambda_c$에 대한 민감도 향상을 시사한다.
• 해당 붕괴 비율 상한선은 95% 신뢰수준에서 $BR(t\to u\gamma) < 1.62 \times 10^{-5}$ 및 $BR(t\to c\gamma) < 1.15 \times 10^{-4}$이다.
• LHeC는 CMS LHC의 $t\to c\gamma$에 대한 한계를 약 10배 향상시켜, 95% 신뢰수준에서 $1.15 \times 10^{-4}$의 상한선을 확보하였으며, 이는 LHC의 $1.82 \times 10^{-3}$보다 높은 정밀도를 확보하였다.
• 더 높은 에너지와 $c$-쿼크 최종 상태 기여의 유사성 덕분에, LHeC는 HERA에 비해 $\lambda_c$에 대한 민감도가 향상되었다.
• LHeC는 $\lambda_c$에 대한 예측 민감도가 HL-LHC를 초월하여, 탑 쿼크 FCNC 결합을 탐색하는 데 있어 상호보완적이고 경쟁력 있는 역할을 하고 있음을 보여준다.