[论文解读] Search for charged-lepton flavor violation in top quark production $\sqrt{s}$ =13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 65被引用 1

一句话总结

本研究利用在 √s = 13 TeV 下收集的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据，在大型强子对撞机（LHC）上搜索顶夸克产生与衰变过程中的带电轻子味破坏（CLFV）。基于有效场论框架，该研究设定了迄今最严格的观测极限，针对顶夸克衰变为 eμ 末态的分支比，95% 置信水平下，矢量型为 0.13 × 10⁻⁶，标量型为 0.07 × 10⁻⁶，张量型为 0.25 × 10⁻⁶。

ABSTRACT

Results are presented from a search for charged-lepton flavor violating (CLFV) interactions in top quark production and decay in pp collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The events are required to contain one oppositely charged electron-muon pair in the final state, along with at least one jet identified as originating from a bottom quark. The data correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$, collected by the CMS experiment at the LHC. This analysis includes both the production (q $ o$ e$μ$t) and decay (t $ o$ e$μ$q) modes of the top quark through CLFV interactions, with q referring to a u or c quark. These interactions are parametrized using an effective field theory approach. With no significant excess over the standard model expectation, the results are interpreted in terms of vector-, scalar-, and tensor-like CLFV four-fermion effective interactions. Finally, observed exclusion limits are set at 95% confidence levels on the respective branching fractions of a top quark to an e$μ$ pair and an up (charm) quark of 0.13 $ imes$ 10$^{-6}$ (1.31 $ imes$ 10$^{-6}$), 0.07 $ imes$ 10$^{-6}$ (0.89 $ imes$ 10$^{-6}$), and 0.25 $ imes$ 10$^{-6}$ (2.59 $ imes$ 10$^{-6}$) for vector, scalar, and tensor CLFV interactions, respectively.

研究动机与目标

• 通过有效场论方法，探测顶夸克产生与衰变过程中的带电轻子味破坏（CLFV）
• 检验预测顶夸克区域能量中存在 CLFV 的理论模型，包括轻子偶素和扩展的希格斯模型
• 对涉及 eμ 末态的稀有顶夸克衰变，设定更优的实验限制
• 探讨顶夸克 CLFV 与涉及轻子味 universality 破坏的 B 介子衰变中异常现象之间的关联

提出的方法

• 采用维度六算符的有效的场论方法，对顶夸克产生与衰变中的 CLFV 相互作用进行建模
• 分析通过 CLFV 顶点产生的 t → eμq 衰变和 q → eμt 产生模式
• 使用矢量、标量和张量四费米子算符，参数化涉及顶夸克、上夸克或粲夸克与味混合的带电轻子的 CLFV 相互作用
• 应用事件选择标准，要求存在一个 eμ 对及至少一个 b 价夸克，以增强对 CLFV 信号的灵敏度
• 利用标准模型过程进行背景估计，并通过控制区域和模拟进行验证
• 采用统计方法，对 t → eμq 衰变的分支比设定 95% 置信水平的排除极限

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV 下，通过 CLFV 相互作用介导的顶夸克衰变为 eμ 对的最严格限制是什么？
• RQ2 观测到的限制如何约束 CLFV 四费米子相互作用的矢量型、标量型和张量型？
• RQ3 顶夸克衰变中观测到的 CLFV 信号能否解释涉及轻子味 universality 破坏的 B 介子衰变中的异常？
• RQ4 LHC 对顶夸克区域能量中超出标准模型的新物理尺度的灵敏度如何？
• RQ5 结果与如轻子偶素或两希格斯双重模型等理论预测相比如何？

主要发现

• 分析未观测到显著超出标准模型背景的过量，因此在 95% 置信水平下设定了排除极限
• 对于矢量型 CLFV 相互作用，t → eμq 衰变的分支比观测上限为 0.13 × 10⁻⁶
• 对于标量型 CLFV 相互作用，t → eμq 衰变的分支比观测上限为 0.07 × 10⁻⁶
• 对于张量型 CLFV 相互作用，t → eμq 衰变的分支比观测上限为 0.25 × 10⁻⁶
• 对于 t → eμc 衰变，分支比的限制分别为：矢量型 1.31 × 10⁻⁶，标量型 0.89 × 10⁻⁶，张量型 2.59 × 10⁻⁶
• 这些结果代表了迄今基于 LHC 运行 2 数据对顶夸克 CLFV 衰变最严格的约束