[论文解读] Probing the Anomalous FCNC tqgamma Couplings at Large Hadron electron Collider

I. Turk Cakir, A. Yılmaz+4 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本研究通过大型强子电子对撞机（LHeC）上的过程 $e^{-}p \to e^{-}W^{ ext{±}}q + X$，研究顶夸克的异常味改变中性流（FCNC）耦合。利用 500 fb$^{-1}$ 的亮度和快速探测器模拟，该研究在 3σ 显著性水平下设定了 $\lambda_u = 0.012$ 和 $\lambda_c = 0.032$ 的上限，相较于之前 LHC 和 HERA 的结果，对 $t \to c\gamma$ 的约束提高了整整一个数量级。

ABSTRACT

We investigate the anomalous flavour changing neutral current (FCNC) interactions of top quark through the process $e^{-}p o e^{-}W^{\pm}q+X$. We calculate the signal and background cross sections in electron proton collisions at Large Hadron electron Collider (LHeC) with a 7 TeV proton beam from the LHC and a new 60 GeV electron beam from energy recovery linac (ERL). We study the relevant background processes including one electron and three jets in the final state. The distributions of the invariant mass of two jets and an additional jet tagged as $b$-jet are used to account signal and background events after the analysis cuts. We find upper bounds on anomalous FCNC couplings $λ$ of the order of $10^{-2}$ at LHeC for a luminosity projection of $100$ fb$^{-1}$ together with the fast simulation of detector effects. As a matter of interest, we analyze the sensitivity to the couplings $(λ_{u},λ_{c})$ and find an enhanced sensitivity to $λ_{c}$ at the LHeC when compared to the results from the HERA.

研究动机与目标

• 在 LHeC 的电子-质子碰撞中探测顶夸克异常 FCNC 耦合 $tq\gamma$。
• 评估 LHeC 对超出标准模型的 $t\to u\gamma$ 和 $t\to c\gamma$ 衰变的敏感度。
• 利用干净的 $ep$ 对撞环境，改进 HERA 和 LHC 现有实验约束。
• 通过快速模拟评估探测器效应和背景过程对信号敏感度的影响。
• 比较 LHeC 对 $\lambda_c$ 的敏感度与 HERA 和 LHC 的差异，突出其在 $c$-夸克贡献方面的增强探测能力。

提出的方法

• 采用有效拉格朗日量框架，引入 $tq\gamma$ 顶点的异常 FCNC 耦合 $\lambda_q^{L,R}$，参数化标准模型之外的新物理。
• 分析 LHeC 上的 $e^{-}p \to e^{-}W^{\text{±}}q + X$ 过程，质子束能量为 7 TeV，电子束能量为 60 GeV，重点关注包含一个孤立电子、两个喷注和一个 $b$-喷注的末态。
• 应用分析截断以区分信号与主要背景 $B1$（一个电子、三个喷注），利用两个喷注与一个 $b$-标记喷注的不变质量分布。
• 使用 Delphes 进行快速探测器模拟，以包含真实探测器效应对信号和背景事件重建的影响。
• 基于 $\chi^2$ 显著性估计方法，计算统计显著性（SS）及 $\lambda_u$ 和 $\lambda_c$ 的上限，覆盖从 1 fb$^{-1}$ 到 1 ab$^{-1}$ 的亮度投影。
• 通过 $\Gamma(t\to q\gamma) = \frac{1}{8}\alpha_e \lambda_q^2 m_t$ 将耦合限制转换为分支比，便于与其他实验比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高亮度条件下，LHeC 对异常 $tq\gamma$ FCNC 耦合的敏感度如何？
• RQ2 $\lambda_u$ 和 $\lambda_c$ 的上限与 HERA 和 LHC 的结果相比如何？
• RQ3 由于运动学和相空间效应，LHeC 对 $t\to c\gamma$ 的敏感度是否显著高于对 $t\to u\gamma$ 的敏感度？
• RQ4 探测器效应和背景过程在多大程度上限制了 $tq\gamma$ 耦合测量的探测能力？
• RQ5 LHeC 是否能在顶夸克 FCNC 衰变方面实现对 HL-LHC 敏感度的显著提升？

主要发现

• 在积分亮度为 500 fb$^{-1}$ 时，LHeC 在 3σ 显著性水平下对 $tu\gamma$ 耦合的上限为 $\lambda_u = 0.012$。
• 对于 $tc\gamma$ 耦合，500 fb$^{-1}$ 下的 3σ 上限为 $\lambda_c = 0.032$，表明对 $\lambda_c$ 的敏感度高于 $\lambda_u$。
• 对应的分支比上限为 $BR(t\to u\gamma) < 1.62 \times 10^{-5}$ 和 $BR(t\to c\gamma) < 1.15 \times 10^{-4}$（95% 置信水平）。
• LHeC 对 $t\to c\gamma$ 的约束相比 CMS LHC 的结果提高了约 10 倍，达到 $1.15 \times 10^{-4}$（95% CL），而 LHC 结果为 $1.82 \times 10^{-3}$。
• 由于能量更高且 $c$-夸克末态贡献相当，LHeC 对 $\lambda_c$ 的敏感度相比 HERA 显著提升。
• LHeC 对 $\lambda_c$ 的预测敏感度超过 HL-LHC，证明其在探测顶夸克 FCNC 耦合方面具有互补且竞争性的角色。