[论文解读] Search for charged-lepton flavor violation in the production and decay of top quarks using trilepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2360 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本研究利用13 TeV质子-质子碰撞中的三轻子末态，搜索顶夸克产生与衰变过程中的带电轻子味违反（CLFV）。基于CMS实验的138 fb⁻¹数据，采用提升决策树方法，对通过上夸克或粲夸克介导的顶夸克衰变为电子-μ子对的威尔逊系数（0.024–0.424 TeV⁻²）和分支比（低至0.012 × 10⁻⁶）设定了迄今为止最严格的限制，结果与标准模型一致。

ABSTRACT

A search is performed for charged-lepton flavor violating processes in top quark (t) production and decay. The data were collected by the CMS experiment from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV and correspond to an integrated luminosity of 138 fb-1. The selected events are required to contain one opposite-sign electron-muon pair, a third charged lepton (electron or muon), and at least one jet of which no more than one is associated with a bottom quark. Boosted decision trees are used to distinguish signal from background, exploiting differences in the kinematics of the final states particles. The data are consistent with the standard model expectation. Upper limits at 95% confidence level are placed in the context of effective field theory on the Wilson coefficients, which range between 0.024–0.424 TeV-2 depending on the flavor of the associated light quark and the Lorentz structure of the interaction. These limits are converted to upper limits on branching fractions involving up (charm) quarks, t→eμu (t→eμc), of 0.032(0.498)×10-6, 0.022(0.369)×10-6, and 0.012(0.216)×10-6 for tensorlike, vectorlike, and scalarlike interactions, respectively.

研究动机与目标

• 搜索顶夸克产生与衰变中的带电轻子味违反（CLFV），该过程在标准模型中被禁止，但由新物理理论所预测。
• 检验涉及顶夸克、带电轻子以及上夸克或粲夸克的维数6有效场论算符的存在性。
• 通过引入喷流与味标签约束的三轻子末态，提升对CLFV的探测灵敏度，超越此前LHC的限制。
• 为特定LFV顶夸克衰变模式设定95%置信水平的威尔逊系数与分支比上限。
• 通过检验此类新物理是否可能在LHC的顶夸克衰变中显现，来验证能够解释B介子味异常的新物理模型。

提出的方法

• 利用CMS实验在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 采用三轻子末态选择，要求包含一对反号电子-μ子对、一个第三轻子（e或μ），以及至少一个喷流且最多一个b-夸克喷流。
• 使用提升决策树（BDTs）基于末态粒子的运动学特征，对信号与背景进行区分。
• 通过蒙特卡罗模拟建模即时背景，利用数据驱动的控制样本处理非即时背景。
• 在有效场论（EFT）框架下解释结果，通过维数6算符的威尔逊系数C(6)a参数化CLFV。
• 将观测到的威尔逊系数限制转化为不同洛伦兹结构（张量、矢量、标量）下t → eμu与t → eμc衰变的分支比上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC对通过三轻子末态探测顶夸克衰变中带电轻子味违反的灵敏度如何？
• RQ2 三轻子事例中，CLFV信号与主导标准模型背景的运动学分布有何差异？
• RQ3 涉及顶夸克与味违反带电轻子的维数6 EFT算符，其威尔逊系数的最严格95%置信水平限制为何？
• RQ4 在不同洛伦兹结构下，观测数据对t → eμu与t → eμc衰变的分支比约束程度如何？
• RQ5 LHC能否通过顶夸克CLFV探测能够解释B介子味异常的新物理模型？

主要发现

• 数据与标准模型预期一致，三轻子末态中未观测到显著过量。
• 根据关联的轻夸克种类与洛伦兹结构不同，威尔逊系数的95%置信水平上限在0.024至0.424 TeV⁻²之间。
• 对于张量型相互作用，t → eμu衰变的分支比上限为0.032 × 10⁻⁶；对于标量型相互作用，上限为0.012 × 10⁻⁶。
• 最严格的限制针对标量型相互作用，对t → eμc衰变的分支比上限为0.012 × 10⁻⁶。
• 本结果是迄今对顶夸克衰变中CLFV最灵敏的搜索，超越了此前LHC及非LHC的限制。
• 该分析展示了机器学习（提升决策树）在高多重末态中分离稀有味违反信号的有效性。