[论文解读] 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 7

一句话总结

该论文提出了一种顶夸克特异的轴子模型变体，其中通过一个带有Peccei-Quinn对称性电荷的Higgs双重态，实现了味改变的中性流（FCNC）衰变 $ t \to h c $。研究表明，该衰变在LHC运行二期中可被检验，其手征性结构可通过角分布测量；此外，若右手上行τ轻子也携带PQ电荷，该模型可解释CMS报告的 $ h \to \tau\mu $ 衰变，且参数空间与当前约束和LHC灵敏度一致。

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.

研究动机与目标

• 探索仅右手上行顶夸克携带PQ电荷的Peccei-Quinn对称性基础上的两Higgs双重态模型中的味改变中性流（FCNCs）现象学。
• 在当前Higgs信号强度数据和分支比约束下，评估LHC中 $ t \to h c $ 衰变通道的可行性。
• 研究该模型是否能容纳CMS合作组报告的异常 $ h \to \tau\mu $ 衰变，方法是将PQ电荷分配扩展至右手上行τ轻子。
• 证明FCNC耦合的手征性特征——特别是左手上行顶夸克与右手上行粲夸克的偏好——可通过顶对产生过程中的角分布探测。

提出的方法

• 构建一个具有Peccei-Quinn（PQ）对称性的两Higgs双重态模型，仅将非零PQ电荷分配给右手上行顶夸克和一个Higgs双重态。
• 推导SM类Higgs玻色子 $ h $、顶夸克和粲夸克之间的Yukawa耦合及FCNC相互作用，由混合角 $ \rho $ 参数化。
• 利用 $ h \to \gamma\gamma, \tau\tau, bb, WW^*, ZZ^* $ 和 $ gg $ 的Higgs信号强度约束，以及LHC对 $ \text{BR}(t \to h c) $ 的限制，计算 $ t \to h c $ 的分支比。
• 分析自旋关联的顶对产生中 $ t \to h c $ 衰变的角分布，以提取FCNC耦合的手征性结构。
• 将模型扩展至赋予右手上行τ轻子非零PQ电荷，从而通过同一PQ电荷Higgs玻色子实现 $ h \to \tau\mu $ 衰变。
• 利用CMS观测到的 $ h \to \tau\mu $ 衰变速率约束混合参数 $ \rho_\tau $ 和耦合强度 $ a $，并与 $ t \to h c $ 分支比的约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前Higgs数据和实验限制下，该顶夸克特异的轴子模型是否能在LHC中产生可探测的 $ t \to h c $ 衰变？
• RQ2 如何通过实验手段探测 $ t \to h c $ FCNC耦合的手征性结构——即偏好左手上行顶夸克与右手上行粲夸克？
• RQ3 该模型是否能够解释CMS合作组观测到的异常 $ h \to \tau\mu $ 衰变？
• RQ4 解释 $ h \to \tau\mu $ 的参数空间与LHC运行二期中 $ t \to h c $ 可探测区域之间是否存在重叠？
• RQ5 能否利用 $ h \to \tau\mu $ 衰变中 $ \tau $ 的极化特性来探测轻子 sector FCNC 耦合的手征性结构？

主要发现

• 在允许的参数空间中，$ t \to h c $ 衰变分支比在LHC运行二期的探测范围内，尤其是在解耦极限下更为显著。
• 该模型预测了一种手征性增强的耦合，即左手上行顶夸克与右手上行粲夸克之间的耦合更强，可通过顶对产生中的角分布探测。
• 解释CMS $ h \to \tau\mu $ 信号的大部分参数空间与当前 $ \text{BR}(t \to h c) $ 的限制一致，且处于LHC运行二期的探测灵敏度范围内。
• 当 $ |\sin \rho_\tau| \sim 1 $ 时，$ h \to \tau\mu $ 所需的耦合强度为 $ a \simeq 0.6 $，且该模型预测 $ h \to \tau^- \mu^+ $ 中的 $ \tau^- $ 为左手上行，可通过能量分数分布检验。
• 在解释 $ h \to \tau\mu $ 的参数区域内，$ \tau \to \mu\gamma $ 衰变速率仍远低于实验上限，确保与轻子味违反约束的一致性。
• 引入 $ h \to \tau\mu $ 信号后，模型的参数空间略有扩大，但仍与Higgs信号强度数据和 $ t \to h c $ 的约束保持一致。