[论文解读] Top quark rare decays in the standard model and beyond

B. Mele|ArXiv.org|Mar 8, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文综述了标准模型（SM）及其之外的顶夸克稀有衰变，重点关注理论预测与大型强子对撞机（LHC）的探测能力。研究发现，尽管SM中的稀有衰变分支比低于$10^{-6}$，在LHC上无法探测，但某些新物理模型——尤其是具有额外希格斯玻色子或R-宇称破坏的超对称理论（SUSY）——可将衰变率增强至可观测水平（$ mid10^{-4}$至$10^{-3}$），特别是MSSM中非统一软对称性破缺项下的$t \to ch^0$和$t \to c\gamma$衰变。

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.

研究动机与目标

• 评估标准模型（SM）及其扩展中顶夸克稀有衰变通道的理论可行性与可探测性。
• 评估欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）对稀有顶夸克衰变的敏感度，特别是涉及新粒子或异常耦合的衰变。
• 识别新物理模型（如MSSM、第四代费米子族、2HDM）中哪些稀有衰变通道可能在LHC达到可观测的分支比。
• 将理论预测与LHC实验阈值进行比较，重点关注背景干扰与运动学截断。
• 确定ATLAS与CMS实验对特定稀有衰变信号的探测能力，特别是涉及带电希格斯玻色子或味改变中性流的衰变。

提出的方法

• 使用有效场论与微扰量子场论计算SM中顶夸克衰变的分支比，包括一阶圈图与树图振幅。
• 采用规范不变的宽度定义，如通过$b\mu\nu_\mu ee$末态计算$\Gamma(t\to bWZ)$，以考虑背景干扰。
• 利用运动学截断（如$m_{ee} > 0.8M_Z$）与探测器模拟近似，评估电磁辐射与希格斯介导衰变。
• 考虑扩展模型：第四代费米子族、2HDM、具有统一与非统一软对称性破缺的MSSM，以及R-宇称破坏的SUSY。
• 通过SM与新物理（BSM）振幅的对比分析分支比，包括GIM抑制因子与圈图贡献。
• 依赖ATLAS与CMS的LHC探测器模拟研究，估算各类衰变通道的探测灵敏度阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，顶夸克稀有衰变的分支比是多少，特别是$t\to bWZ$、$t\to bWH$与$t\to cWW$？
• RQ2 新物理模型（如具有非统一软对称性破缺的MSSM或R-宇称破坏的SUSY）如何增强如$t\to cg$、$t\to c\gamma$与$t\to ch^0$等稀有顶夸克衰变？
• RQ3 LHC对稀有顶夸克衰变的敏感度如何？在考虑真实背景与截断条件下，哪些衰变通道处于实验可探测范围内？
• RQ4 LHC能否通过$t\to bH^+$衰变探测带电希格斯玻色子的存在？其预期探测能力如何？
• RQ5 LHC实验在多大程度上可探测顶夸克体系中的异常味改变中性流？其灵敏度阈值是多少？

主要发现

• 在SM中，采用规范不变定义计算得到$t\to bWZ$的分支比约为$2\times10^{-6}$，而包含背景影响的实验有效估计值为$6\times10^{-7}$。
• SM衰变$t\to bWH$受到强烈抑制，当$m_H\gtrsim100$ GeV时，$B(t\to bWH)\lesssim7\times10^{-8}$。
• 衰变$t\to cWW$受到强GIM抑制，分支比约为$B(t\to cWW)\sim10^{-13}$，在SM中不可观测。
• 在具有非统一软对称性破缺（第二-第三代混合）的MSSM中，$B(t\to cg)\sim10^{-6}$，$B(t\to c\gamma)\sim10^{-8}$，接近但仍未达到LHC探测灵敏度。
• 在R-宇称破坏的SUSY模型中，$B(t\to cg)\sim10^{-3}$，$B(t\to c\gamma)\sim10^{-5}$，$B(t\to cZ)\sim10^{-4}$，使这些衰变通道具有可观测潜力。
• 在MSSM中，$t\to ch^0$衰变的分支比可达到$B\sim10^{-4}$（针对轻的CP偶性希格斯玻色子），使其在$100~\text{fb}^{-1}$亮度下处于LHC探测阈值范围内。