[论文解读] Probing a pseudoscalar at the LHC in light of $R(D^{(*)})$ and muon g-2 excesses

Lei Wang, Jin Min Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文提出一个具有顶夸克味改变中性流的两Higgs双重模型，以同时解释 $R(D^{(*)})$ 和μ子 $g-2$ 异常。它识别出一个质量为20–150 GeV的赝标量 $A$，其通过 $t \to Ac$ 衰变主要衰变为 $\tau\bar{\tau}$，并表明13 TeV LHC的30 fb$^{-1}$ 数据可大部分排除该模型，而100 fb$^{-1}$ 数据可完全排除该模型。

ABSTRACT

We study the excesses of $R(D^{(*)})$ and muon $g-2$ in the framework of a two-Higgs-doublet model with top quark flavor-changing neutral-current (FCNC) couplings. Considering the relevant theoretical and experimental constraints, we find that the $R(D^{(*)})$ and muon $g-2$ excesses can be simultaneously explained in a parameter space allowed by the constraints. In such a parameter space the pseudoscalar ($A$) has a mass between 20 GeV and 150 GeV so that it can be produced from the top quark FCNC decay $t o A c$. Focusing on its dominant decay $A o τ\barτ$, we perform a detailed simulation on $pp o t\bar{t} o Wb Ac o jjbcτ\barτ$ and find that the $2σ$ upper limits from a data set of 30 (100) fb$^{-1}$ at the 13 TeV LHC can mostly (entirely) exclude such a parameter space.

研究动机与目标

• 在单一理论框架内同时解释 $R(D^{(*)})$ 和μ子 $g-2$ 异常。
• 研究质量在20 GeV至150 GeV之间的赝标量玻色子 $A$ 作为这些异常媒介的可行性。
• 通过详细模拟 $pp \to t\bar{t} \to WbAc \to jjbc\tau\bar{\tau}$ 信号，评估LHC对该赝标量的可探测性。
• 施加来自精密电弱数据、$B$-介子衰变、$\tau$ 衰变以及顶夸克/Higgs搜索的严格理论与实验约束。
• 确定LHC是否能利用实际亮度数据排除与两个异常一致的可行参数空间。

提出的方法

• 构建一个具有软性破缺 $Z_2$ 对称性的两Higgs双重模型（2HDM），并通过 $t \to Ac$ 实现顶夸克味改变中性流（FCNC）。
• 应用来自精密电弱数据、$B$-介子衰变（$R(D^{(*)})$）、$\tau$ 衰变以及顶夸克和Higgs搜索的约束，以限制参数空间。
• 对信号过程 $pp \to t\bar{t} \to WbAc \to jjbc\tau\bar{\tau}$ 进行蒙特卡洛模拟，并包括 $t\bar{t}$、$Z+b\bar{b}/c\bar{c}$ 和 $tZ$ 等背景过程。
• 采用基于重建的顶夸克质量（$m_{j_c\tau\tau}$）、$W$ 玻色子质量（$m_{j_1j_2}$）和 $b$-喷流系统质量（$m_{j_bj_1j_2}$）的运动学重建技术，通过 $\chi^2$ 最小化方法识别信号事例。
• 应用选择性筛选：两个带 $b$ 标记的喷流、$\chi^2_{\text{min}} < 6$，以及通过 $M_{\tau\tau}$ 重建 $m_A$，并针对低 $m_A$ 优化质量窗口灵敏度。
• 使用 $\mathcal{S} = n_s / \sqrt{n_b + (\varepsilon n_b)^2}$ 计算信号显著性，其中系统不确定性 $\varepsilon = 20\%$（30 fb$^{-1}$）和 $10\%$（100 fb$^{-1}$）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有顶夸克FCNC耦合的2HDM中，$R(D^{(*)})$ 和μ子 $g-2$ 异常能否被同时解释？
• RQ2 在满足所有实验与理论约束的前提下，作为这些异常媒介的赝标量 $A$ 允许的质量范围是什么？
• RQ3 在13 TeV下，LHC以30 fb$^{-1}$ 和100 fb$^{-1}$ 的积分亮度，能多高效地探测信号 $pp \to t\bar{t} \to WbAc \to jjbc\tau\bar{\tau}$？
• RQ4 对于不同 $m_A$ 值，LHC数据能排除的 $2\sigma$ 分支比 $\text{Br}(t \to Ac)$ 上限是多少？
• RQ5 通过 $M_{\tau\tau}$ 和 $m_{j_c\tau\tau}$ 进行 $m_A$ 的运动学重建，在多大程度上提升了信号灵敏度？

主要发现

• 在具有顶夸克FCNC耦合的2HDM中，只要赝标量 $A$ 的质量在20 GeV至150 GeV之间，$R(D^{(*)})$ 和μ子 $g-2$ 异常即可被同时解释。
• 赝标量 $A$ 通过 $t \to Ac$ 产生，并主要衰变为 $\tau\bar{\tau}$，在可行参数空间中，$t \to Ac$ 的分支比范围为1%至16%。
• 对于13 TeV下30 fb$^{-1}$ 的数据集，$2\sigma$ 上限可排除几乎所有可行参数空间，仅在 $m_A = 20$ GeV 或 $m_A = 150$ GeV 附近残留少数点。
• 对于100 fb$^{-1}$ 的数据集，$2\sigma$ 上限可完全排除与两个异常一致的所有可行参数空间。
• 信号显著性计算表明，选择后 $t\bar{t}$ 截面减少至61.3 fb，背景贡献分别为 $Z+b\bar{b}/c\bar{c}$ 的0.12 fb 和 $tZ$ 的0.03 fb。
• 通过结合 $m_{j_c\tau\tau}$、$m_{j_bj_1j_2}$ 和 $m_{j_1j_2}$ 的 $\chi^2$ 最小化运动学重建方法，显著提升了信号识别能力，尤其在低 $m_A$ 情况下。