[论文解读] Search for FCNC in top quark production and decays

R. Goldouzian|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 5

一句话总结

本文综述了CDF、D0、ATLAS和CMS合作组在顶夸克衰变和产生过程中对味改变中性流（FCNC）的实验搜索。采用有效拉格朗日模型和多变量分析方法，未观测到显著信号；对分支比的最严格95%置信水平上限分别为：$t \to cH$ 的 0.79%，$t \to u g$ 的 0.0031%，以及 $t \to u Z$ 的 0.05%，为迄今最紧的约束。

ABSTRACT

An overview of searches for top quark flavour changing neutral currents (FCNC) from the CDF, D0, ATLAS and CMS collaborations is presented. The FCNC interactions of top quarks are probed through the anomalous decays and production channels. No clear evidence for the presence of the signal is observed in none of the searches and the upper limits are set at 95% confidence level (CL) on the cross sections, anomalous couplings and the branching ratios.

研究动机与目标

• 探测顶夸克味改变中性流（FCNC）作为标准模型之外新物理的信号。
• 对顶夸克与上型夸克及中性规范玻色子或希格斯玻色子的异常耦合设定实验极限。
• 通过结合多个末态和实验的结果，提高对新物理的探测灵敏度。
• 利用大型强子对撞机和费米实验室的高能 $t\bar{t}$ 事例，检验GIM机制在顶夸克衰变中的鲁棒性。
• 为未来预测顶夸克衰变中FCNC率增强的新物理模型提供基准极限。

提出的方法

• 采用有效拉格朗日方法，对顶夸克与 $Z$、$\gamma$、$g$ 和 $H$ 玻色子的异常FCNC耦合进行建模。
• 使用蒙特卡罗事件生成器（如MadGraph5、Pythia、PROTOS）模拟信号与背景过程。
• 应用多变量分析技术（BNN、BDT）以区分FCNC信号与标准模型背景。
• 基于不变质量窗口、喷注与轻子识别以及缺失横向能量，实施运动学选择条件。
• 对二光子和多轻子末态进行似然函数拟合，以提取分支比的上限。
• 重新解释现有的多轻子和二光子搜索，以提取对FCNC敏感的可观测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 顶夸克衰变至上型夸克与希格斯玻色子（$t \to qH$）的当前实验极限分支比是多少？
• RQ2 在不同实验和质心系能量下，$t \to q\gamma$、$t \to qZ$ 和 $t \to qg$ 的观测上限如何比较？
• RQ3 在顶反顶事例中，若希格斯玻色子衰变为 $\gamma\gamma$，能否探测到顶夸克异常FCNC耦合的存在？
• RQ4 单顶与 $t\bar{t}$ 末态对涉及 $Z$、$\gamma$ 和胶子的顶夸克FCNC相互作用的灵敏度如何？
• RQ5 在 $BR(t \to q\gamma)$ 与 $BR(t \to qZ)$ 的平面上，不同实验（ATLAS、CMS、CDF、D0）的极限如何比较？

主要发现

• 在CDF、D0、ATLAS或CMS的所有FCNC搜索中，均未观测到超过标准模型背景的显著过量。
• ATLAS合作组利用7和8 TeV的25 fb$^{-1}$数据，将 $BR(t \to cH)$ 的最严格95%置信水平上限定为0.79%。
• ATLAS合作组基于8 TeV的14.2 fb$^{-1}$数据，对 $BR(t \to u g)$ 设定最紧极限为0.0031%，对 $BR(t \to c g)$ 设定为0.016%。
• CMS合作组利用8 TeV的19.5 fb$^{-1}$数据，报告了 $BR(t \to cH)$ 的95%置信水平上限为0.56%。
• 对于 $t \to qZ$ 衰变，最紧的极限为 $BR(t \to uZ)$ 的0.05%，由CMS合作组基于7和8 TeV的24.7 fb$^{-1}$数据报告。
• 多个实验的联合极限表明，当前实验的探测范围正接近某些新物理模型所预测的区域。