[论文解读] Large $t o cZ$ as a Sign of Vector-Like Quarks in Light of the $W$ Mass

Andreas Crivellin, M. Kirk+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了顶夸克衰变 $t \to cZ$ 作为矢量型夸克（VLQs）的信号，表明三种 VLQ 表示 $U$、$Q_1$ 和 $Q_7$ 可同时解释CDF测量到的大 $W$ 玻色子质量，并通过一环匹配至标准模型有效场论（SMEFT），分别产生 $10^{-6}$、$10^{-5}$ 和 $10^{-4}$ 的分支比。

ABSTRACT

The rare flavour changing top quark decay $t o cZ$ is a clear sign of new physics and experimentally very interesting due to the huge number of top quarks produced at the LHC. However, there are few (viable) models which can generate a sizable branching ratio for $t o cZ$ -- in fact vector-like quarks seem to be the only realistic option. In this paper, we investigate all three representations (under the Standard Model gauge group) of vector-like quarks ($U$, $Q_1$ and $Q_7$) that can generate a sizable branching ratio for $t o cZ$ without violating bounds from $B$ physics. Importantly, these are exactly the three vector-like quarks which can lead to a sizable positive shift in the prediction for $W$ mass, via the couplings to the top quark also needed for a sizable Br($t o cZ$). Calculating and using the one-loop matching of vector-like quarks on the Standard Model Effective Field Theory, we find that Br($t o cZ$) can be of the order of $10^{-6}$, $10^{-5}$ and $10^{-4}$ for $U$, $Q_1$ and $Q_7$, respectively and that in all three cases the large $W$ mass measurement can be accommodated.

研究动机与目标

• 识别能够同时解释CDF测量到的大 $W$ 玻色子质量与显著的 $t \to cZ$ 稀有衰变分支比的新物理模型。
• 分析矢量型夸克（VLQs）通过树图耦合生成 $t \to cZ$ 的作用，同时避免对 $B$ 物理可观测量产生过大贡献。
• 计算 VLQs 到标准模型有效场论（SMEFT）的一环匹配，以评估其对 $W$ 玻色子质量与 $t \to cZ$ 分支比的影响。
• 确定哪些 VLQ 表示（$U$、$Q_1$、$Q_7$）能够产生大的 $t \to cZ$ 分支比，同时不违反味改变中性流的约束。
• 评估观测到的 $W$ 玻色子质量偏移是否可通过 VLQ 对 $S$ 和 $T$ 参数的圈图贡献，在这些模型中得以容纳。

提出的方法

• 对矢量型夸克进行一环匹配至标准模型有效场论（SMEFT），以计算威尔逊系数 $C_{Hq}^{(1)}$、$C_{Hq}^{(3)}$、$C_{Hu}$、$C_{uH}$、$C_{HD}$ 和 $C_{HWB}$。
• 利用 SMEFT 拉格朗日量将 $t \to cZ$ 和 $t \to ch$ 衰变振幅与威尔逊系数相关联，特别是 $Z$ 玻色子耦合的 $C_{Hq}^{(1)} - C_{Hq}^{(3)}$ 和 $C_{Hu}$。
• 通过 $C_{HD}$ 和 $C_{HWB}$ 计算对 $W$ 玻色子质量的圈图贡献，从而改变 $S$ 和 $T$ 参数。
• 使用公式 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \approx 0.47 |\lambda_{tcZ}|^2$ 对分支比进行数值评估，其中 $\lambda_{tcZ}$ 由 SMEFT 系数推导得出。
• 通过 $B$ 物理与 $b \to s\ell\ell$ 数据评估约束，以确保模型的可行性。
• 将 CKM 矩阵视为单位矩阵以进行精确估计，简化分析同时保留关键物理内容。

实验结果

研究问题

• RQ1 矢量型夸克是否能在不违反 $B$ 物理约束的前提下，产生显著的 $t \to cZ$ 稀有衰变分支比？
• RQ2 哪些矢量型夸克表示（$U$、$Q_1$、$Q_7$）能够同时解释 CDF 测量到的 $W$ 玻色子质量与大的 $t \to cZ$ 衰变率？
• RQ3 矢量型夸克的圈修正如何影响 SMEFT 框架下 $W$ 玻色子质量的预测？
• RQ4 在具有 $U$、$Q_1$ 和 $Q_7$ VLQ 的模型中，$\mathrm{Br}(t \to cZ)$ 与 $\mathrm{Br}(t \to ch)$ 的定量预测是什么？
• RQ5 是否可通过同一组 VLQ 耦合，由相同的新物理 sector 解释 $W$ 玻色子质量异常与 $t \to cZ$ 衰变？

主要发现

• 矢量型夸克的 $U$ 表示可产生 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \sim 10^{-6}$ 的分支比，与当前实验限制一致。
• $Q_1$ 表示产生更大的分支比 $\mathrm{Br}(t \to cZ) \sim 10^{-5}$，仍处于未来 LHC 搜索的探测范围内。
• $Q_7$ 表示产生最大的分支比，$\mathrm{Br}(t \to cZ) \sim 10^{-4}$，使其成为最有可能被观测到的候选者。
• 所有三种 VLQ 表示（$U$、$Q_1$、$Q_7$）均通过 $S$ 和 $T$ 参数的圈修正对 $W$ 玻色子质量偏移有正向贡献，可容纳 CDF 测量结果。
• $t \to cZ$ 衰变振幅主要由组合 $C_{Hq}^{(3)} - C_{Hq}^{(1)}$ 和 $C_{Hu}$ 主导，这些系数通过 VLQ 一环匹配至 SMEFT 生成。
• 由于某些 VLQ 的相关 $Z$-夸克耦合保持与 SM 相似，因此模型在 $B$ 物理约束下依然可行，从而抑制了危险的味改变中性流。