[论文解读] Search for flavor changing neutral current interactions of the top quark in final states with a photon and additional jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Aram Hayrapetyan, A. Tumasyan+2368 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用2016至2018年期间CMS探测器收集的138 fb⁻¹数据，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，通过顶夸克衰变为光子与上夸克或粲夸克（t → uγ 或 t → cγ）的衰变过程，搜索顶夸克的味改变中性流（FCNC）相互作用。采用多变量分析方法区分信号与背景，设定了迄今为止最严格的95%置信水平上限：B(t → uγ) < 0.95 × 10⁻⁵ 与 B(t → cγ) < 1.51 × 10⁻⁵，其中后者显著优于以往结果。

ABSTRACT

A search for the production of a top quark in association with a photon and additional jets via flavor changing neutral current interactions is presented. The analysis uses proton-proton collision data recorded by the CMS detector at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The search is performed by looking for processes where a single top quark is produced in association with a photon, or a pair of top quarks where one of the top quarks decays into a photon and an up or charm quark. Events with an electron or a muon, a photon, one or more jets, and missing transverse momentum are selected. Multivariate analysis techniques are used to discriminate signal and standard model background processes. No significant deviation is observed over the predicted background. Observed (expected) upper limits are set on the branching fractions of top quark decays: $\mathcal{B}$(t$ o$u$\gamma$) $\lt$ 0.95$ imes$10$^{-5}$ (1.20$ imes$10$^{-5}$) and $\mathcal{B}$(t$ o$c$\gamma$) $\lt$ 1.51$ imes$10$^{-5}$ (1.54$ imes$10$^{-5}$) at 95% confidence level, assuming a single nonzero coupling at a time. The obtained limit for $\mathcal{B}$(t$ o$u$\gamma$) is similar to the current best limit, while the limit for $\mathcal{B}$(t$ o$c$\gamma$) is significantly tighter than previous results.

研究动机与目标

• 通过√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中t → qγ衰变（q = u, c）搜索顶夸克的味改变中性流（FCNC）相互作用。
• 在标准模型之外，设定B(t → uγ)与B(t → cγ)分支分数的改进实验上限。
• 探究可能增强FCNC耦合的新物理场景，如R-奇偶性破坏的超对称模型、两Higgs双峰模型以及技术色模型。
• 检验描述tqγ FCNC顶点的六维算符有效场论框架。

提出的方法

• 本分析使用2016至2018年期间CMS探测器收集的138 fb⁻¹积分亮度、√s = 13 TeV的质子-质子碰撞数据。
• 选择包含一个电子或μ子、一个光子、一个或多个喷注以及缺失横向动量的事件，这些事件与FCNC过程中顶夸克通过W → lν和b → q（q = u, c）衰变的特征一致。
• 信号通过包含tqγ顶点左右手征态的六维算符有效场论拉格朗日量进行建模。
• 采用多变量分析技术，以区分主导的SM背景（如顶夸克对产生和带辐射的单顶夸克产生）。
• 分析考虑两种产生模式：带光子的单顶夸克产生（ST）和一个顶夸克通过FCNC衰变为光子与轻夸克的顶夸克对产生（TT）。
• 采用轮廓似然法，在每次仅考虑一个非零耦合的前提下，于95%置信水平设定分支分数的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 从顶夸克衰变中FCNC相互作用出发，当前实验对分支分数B(t → uγ)的限制是什么？
• RQ2 从顶夸克衰变中FCNC相互作用出发，当前实验对分支分数B(t → cγ)的限制是什么？
• RQ3 新限制与CMS和ATLAS合作组以往结果相比如何？
• RQ4 具有六维算符的有效场论框架能否描述对tqγ FCNC耦合观测到的约束？
• RQ5 CMS探测器在13 TeV下对包含光子与喷注末态的顶夸克FCNC衰变的灵敏度如何？

主要发现

• 观测到的t → uγ分支分数95%置信水平上限为B(t → uγ) < 0.95 × 10⁻⁵，与当前最佳限制一致。
• 观测到的t → cγ分支分数95%置信水平上限为B(t → cγ) < 1.51 × 10⁻⁵，显著优于以往结果。
• B(t → uγ)的预期上限为1.20 × 10⁻⁵，B(t → cγ)的预期上限为1.54 × 10⁻⁵，表明具有良好的统计功效。
• 未观测到与标准模型背景的显著偏离，支持在当前灵敏度水平下不存在FCNC相互作用。
• B(t → cγ)的限制比ATLAS合作组此前报告的左手法性最优限制（4.2 × 10⁻⁵）更严格。
• 分析证实了多变量分析在抑制主导SM背景并增强对稀有FCNC过程灵敏度方面的有效性。