[论文解读] Flavor changing neutral currents in top quark production and decay

E. Yazgan|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 3

一句话总结

本文在费米子对撞机和大型强子对撞机上，采用有效场论解释结果，对顶夸克衰变和产生过程中的模型无关的顶夸克味改变中性流（FCNC）进行了搜索。未观测到显著信号；研究设定了分支比（如 B(t→Zq) < 0.05%）和耦合强度的严格95%置信水平上限，未来大型强子对撞机运行预计可使灵敏度提高一个数量级。

ABSTRACT

Top quark flavor changing neutral current (FCNC) interactions are highly suppressed in the Standard Model. Therefore, any large signal of FCNCs will indicate the existence of new interactions. In this paper, searches for FCNC interactions in top quark production and decay at the Tevatron and LHC are presented. FCNC searches in $t ightarrow qZ$ and $t ightarrow Hq$ decays, and in top quark production in $pp ightarrow t+j$, $pp ightarrow t+Z$ are summarized. Effect of top quark FCNCs on single top quark cross-section, and the searches for same-sign top quark pair production through FCNCs are also described. None of the searches yielded positive results and exclusion limits on branching rations, coupling strengths and cross-sections are obtained. Future prospects of FCNC searches are also briefly discussed.

研究动机与目标

• 在费米子对撞机和大型强子对撞机上，搜索顶夸克衰变和产生过程中的味改变中性流（FCNC）。
• 利用有效场论，对超出顶夸克质量尺度的新物理假设下的FCNC耦合设置模型无关的限制。
• 通过t→Zq、t→Hq和t→γq等稀有顶夸克衰变，探测标准模型之外的新物理的存在。
• 评估FCNC对单顶夸克t-通道产生截面以及同荷顶夸克对产生的影响。
• 提供未来在14 TeV大型强子对撞机上，随着亮度增加，灵敏度提升的预测。

提出的方法

• 使用包含维度-5算符的有效场论拉格朗日量，描述顶夸克衰变和产生过程中的FCNC相互作用。
• 分析ATLAS、CDF、CMS和D0合作组的数据，利用√s = 7–8 TeV和1.96 TeV的质子-质子及质子-反质子碰撞数据。
• 基于双轻子、三轻子和二胶子末态等最终态进行事例选择，并对顶夸克进行运动学重建。
• 使用蒙特卡罗模拟（MadGraph + Pythia）生成信号，采用数据驱动方法估算背景。
• 在t→qZ和t→Hq通道中应用多元分析（BDT）以增强信号区分能力。
• 通过最大似然拟合提取信号显著性，并设定分支比与耦合强度的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 从大型强子对撞机和费米子对撞机数据中，B(t→Zq)的当前95%置信水平上限是多少？
• RQ2 实验结果如何约束t→Hq衰变的等效耦合强度，特别是H→γγ和H→WW*衰变模式？
• RQ3 FCNC相互作用在多大程度上影响单顶夸克t-通道截面？现有数据能否将此类效应与标准模型区分开？
• RQ4 通过Z′玻色子介导的同荷顶夸克对产生，其排除限制是什么？这些限制如何约束解释顶夸克前后向不对称性的模型？
• RQ5 未来在√s = 14 TeV的大型强子对撞机运行中，灵敏度将如何提升？

主要发现

• B(t→Zq)的最严格95%置信水平上限为0.05%，由结合CMS在7 TeV和8 TeV的数据（8 TeV下为19.7 fb⁻¹）得出。
• 对于H→γγ的t→cH衰变，观测到的95%置信水平分支比上限为0.83%，λtcH耦合的上限为0.17。
• CMS合作组在多个Higgs衰变模式（WW*、ττ、ZZ*）下，对B(t→cH)设定了联合95%置信水平上限1.28%。
• 未发现同荷顶夸克对产生的证据；ATLAS合作组对右-右手性构型设定了σ(pp→tt) < 0.21 pb的95%置信水平限制。
• 胶子和Z玻色子介导的FCNC耦合强度限制为：κgut/Λ < 0.10 TeV⁻¹，κgct/Λ < 0.35 TeV⁻¹，κzut/Λ < 0.45 TeV⁻¹，以及κZct/Λ < 2.27 TeV⁻¹。
• 未来预测显示，若积累300 fb⁻¹的14 TeV数据，ATLAS预计可排除B(t→qZ) > 2×10⁻⁴，而CMS预计可达到B(t→qZ) < 10⁻⁵的95%置信水平上限。