[论文解读] LHC signatures of vector-like quarks

Yasuhiro Okada, Luca Panizzi|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 84被引用 13

一句话总结

本文针对大型强子对撞机（LHC）搜索背景，全面概述了规范群 SU(2)L 表示下的矢量型夸克（VLQs）的唯象学，分析了其在不同 SU(2)L 表示（单重态、双重态、三重态）下的产生与衰变信号。文章基于 Tevatron 和 LHC 数据给出了模型无关的约束，表明 VLQ 的质量上限在 400–600 GeV 之间，具体取决于衰变模式；并详尽列出了所有可能的二体末态及其标准模型（SM）衰变链，为新物理（BSM）领域的未来实验搜索与理论分析提供了参考。

ABSTRACT

This work provides an overview on the current status of phenomenology and searches for heavy vector-like quarks, which are predicted in many models of new physics beyond the Standard Model. Searches at Tevatron and at the LHC, here listed and shortly described, have not found any evidence for new heavy fermionic states (either chiral or vector-like), and have therefore posed strong bounds on their masses: depending on specific assumptions on the interactions and on the observed final state, vector-like quarks with masses up to roughly 400-600 GeV have been excluded by all experiments. In order to be as simple and model-independent as possible, the chosen framework for the phenomenological analysis is an effective model with the addition of a vector-like quark representation (singlet, doublet or triplet under SU(2)) which couples through Yukawa interactions with all SM families. The relevance of different observables for the determination of bounds on mixing parameters is then discussed and a complete overview of possible two-body final states for every vector-like quark is provided, including their subsequent decay into SM particles. A list and short description of phenomenological analyses present in literature is also provided for reference purposes.

研究动机与目标

• 提供矢量型夸克（VLQ）唯象学与 LHC 搜索策略的模型无关概述。
• 总结 Tevatron 和 LHC 对 VLQ 质量与混合参数的现有实验约束。
• 系统列出不同 SU(2)L 表示（单重态、双重态、三重态）下 VLQ 的所有可能二体衰变通道。
• 分析 VLQ 对关键 LHC 过程（如 Higgs 粒子产生与同荷顶夸克产生）的影响。
• 通过整合并描述文献中的关键唯象学分析，为未来实验搜索提供参考。

提出的方法

• 构建一个有效场论框架，其中矢量型夸克在 SU(2)L 下分别作为单重态、双重态或三重态变换，通过 Yukawa 相互作用与标准模型（SM）夸克和 Higgs 粒子耦合。
• 应用味改变中性流（FCNCs）与电弱精确测量的约束，以限制混合参数。
• 综述并整合 Tevatron 和 LHC 搜索结果（如 ATLAS、CMS），针对末态中包含顶夸克、W/Z 玻色子与喷注的 VLQ 共振产生过程。
• 对每种 VLQ 表示的可能二体衰变模式进行系统分类，包括后续衰变为 SM 粒子的过程。
• 评估 VLQ 对 Higgs 产生（胶子融合、γγ 衰变）及通过 FCNC 机制导致的同荷顶夸克产生的贡献。
• 使用有效拉格朗日量技术与圈图计算，估算对 Higgs 耦合与对产生截面的修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 Tevatron 和 LHC 搜索对矢量型夸克质量的当前实验约束是什么？这些约束如何依赖于衰变模式与混合参数？
• RQ2 不同 SU(2)L 表示（单重态、双重态、三重态）的矢量型夸克的所有可能二体衰变通道及其后续 SM 衰变链是什么？
• RQ3 矢量型夸克如何影响 LHC 中的 Higgs 产生与衰变过程（如胶子融合与 h→γγ）？
• RQ4 矢量型夸克能否解释观测到的顶夸克对产生中的正向-反向不对称性或底夸克耦合？
• RQ5 LHC 中 VLQ 搜索的主要信号与信号区域是什么，特别是在包含多个 b-喷注或喷注型 Higgs 粒子的末态中？

主要发现

• 质量在 400–600 GeV 之间的矢量型夸克已被 Tevatron 和 LHC 搜索排除，具体取决于衰变道与混合假设。
• $t^{\bar{}}$ 与 $b^{\bar{}}$ 夸克（顶与底夸克的伙伴）受到最严格约束，在特定末态中排除质量上限接近 600 GeV。
• VLQ 可通过一个维度-5 算符增强 $tH$ 衰变道，从而在 8 TeV、15 fb⁻¹ 亮度下于包含多个 b-喷注的末态中产生可观测信号。
• VLQ 对通过胶子融合与 $h \to \gamma\gamma$ 衰变的 Higgs 产生贡献在主导阶下可忽略，且即使在 NNLO 阶也保持微小，这是由于解耦行为。
• 通过 VLQ 介导的 FCNC 机制导致的同荷顶夸克产生截面在 14 TeV 下仅约为 0.01 fb，低于当前 LHC 的探测灵敏度。
• 在 $t^\prime$ 单重态衰变为 $th$ 与 $Zt$ 或 $Wb$ 的情形下，可增强具有喷注型 $b\bar{b}$ 末态的 Higgs 信号，使在 10 fb⁻¹ 亮度下对 $t^\prime$ 质量在 400–800 GeV 范围内实现 5σ 发现成为可能。