[论文解读] FCNC top quark decays beyond the Standard Model

Santi Béjar, Jaume Guasch+1 more|ArXiv.org|Jan 26, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文研究了超出标准模型的味改变中性流（FCNC）顶夸克衰变至希格斯玻色子的情况，表明在最小超对称标准模型（MSSM）和一般双希格斯二重态模型（2HDM）中，此类衰变的分支比可能达到可探测水平（约10⁻⁴），尤其是在H⁰、h⁰或A⁰末态中。研究证明，通过末态粒子的运动学和质量关联特征，观测多个希格斯衰变道可区分MSSM与非SUSY 2HDM情景。

ABSTRACT

Flavor Changing Neutral Current decays of the top quark within the strict context of the Standard Model are known to be extremely rare. In fact, they are hopelessly undetectable at the Tevatron, LHC and LC in any of their scheduled upgradings. Therefore, if a few of these events eventually show up in the future we will have certainly discovered new physics. We argue that this could well be the case for the LHC and the LC both within the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) and in a general two-Higgs-doublet model (2HDM), especially if we look for FCNC top quark decays into Higgs bosons.

研究动机与目标

• 评估在未来对撞机（如LHC和LC）上探测稀有FCNC顶夸克衰变至希格斯玻色子的可行性。
• 比较MSSM和一般2HDM中FCNC顶夸克衰变的分支比，特别是衰变至中性希格斯玻色子（h⁰、H⁰、A⁰）的情况。
• 识别基于希格斯衰变模式的、可用于区分MSSM与非SUSY 2HDM情景的实验特征信号。
• 探讨是否可通过观测多个希格斯衰变道来识别FCNC顶夸克衰变背后的新物理模型。

提出的方法

• 分析2HDM和MSSM框架下涉及希格斯粒子、夸克、规范玻色子和戈戈斯通玻色子的单圈图。
• 在MSSM中包含超对称粒子（如 squarks、charginos）的贡献，特别是当 squark 质量矩阵与夸克质量矩阵不一致时。
• 利用GIM机制和圈图抑制因子估算分支比，特别强调标准模型中(mb/MW)⁴的抑制效应。
• 评估tanβ和希格斯玻色子质量对分支比的影响，尤其是在高tanβ区域。
• 比较高pT粲夸克喷注、b̄b反夸克对和VV末态等衰变特征，以区分2HDM与MSSM模型。
• 利用MSSM中的质量关系和辐射修正，检验预测的希格斯质量与观测结果之间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管在标准模型中FCNC顶夸克衰变至希格斯玻色子受到极大抑制，其分支比是否可能在MSSM和2HDM中达到可探测水平？
• RQ2 在MSSM和2HDM中，哪些希格斯末态（h⁰、H⁰、A⁰）最有可能产生可观测的衰变率？
• RQ3 在顶夸克衰变中观测到多个希格斯衰变道是否能帮助区分MSSM与非SUSY 2HDM模型？
• RQ4 哪些运动学特征（如高pT粲夸克喷注、大不变质量b̄b对、VV末态）有助于识别背后的希格斯模型？
• RQ5 观测到的希格斯玻色子质量与MSSM质量关系的一致性，是否能帮助确认或排除FCNC衰变的SUSY起源？

主要发现

• 在标准模型中，t → cHSM的分支比被抑制至约10⁻¹³至10⁻¹⁵，使其在当前或计划中的对撞机上无法探测。
• 在MSSM和2HDM中，FCNC顶夸克衰变至希格斯玻色子（t → cH⁰、h⁰、A⁰）的分支比可达到约10⁻⁴量级，使其在LHC上具有潜在可观测性。
• 在2HDM中，t → cg的分支比小于10⁻⁶；在MSSM中，小于10⁻⁵，仍低于约10⁻⁵的可探测阈值。
• 在2HDM II中，t → cH衰变中仅h⁰或H⁰（但非两者）可显著产生；而在MSSM中，h⁰、H⁰和A⁰的可及性取决于tanβ和mA⁰的取值。
• 若同时观测到t → h⁰c和t → H⁰c衰变，将强烈支持MSSM而非2HDM II，原因在于两者希格斯衰变模式的差异。
• 高pT粲夸克喷注与高不变质量VV末态的组合将构成MSSM的显著特征信号，尤其对于H⁰ → VV过程，该过程在2HDM II中不可能发生。