[论文解读] Top flavour-changing neutral interactions: theoretical expectations and experimental detection

J. A. Aguilar–Saavedra|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2004

Innovation Diffusion and Forecasting被引用 13

一句话总结

本文研究了超出标准模型（SM）的顶夸克味改变中性流（FCN）相互作用，其中此类过程在SM中高度抑制，但在新物理情景下可能可观测。本文评估了大型强子对撞机（LHC）和未来 $e^+e^-$ 直线对撞机（TESLA）对有效 $Ztq$、$\bar{t}q \to Z$、$\bar{t}q \to \bar{Z}$、$\bar{t}q \to \bar{H}$、$\bar{t}q \to \bar{g}$ 和 $\bar{t}q \to \bar{u}$ 顶点的灵敏度，表明LHC与TESLA在探测不同类型的FCN耦合方面具有互补性，对分支比低至 $10^{-5}$ 到 $10^{-6}$ 的过程具有 $3\sigma$ 发现阶段潜力。

ABSTRACT

Top flavour-changing neutral interactions with a light quark q=u,c and a gauge or Higgs boson are very suppressed within the Standard Model (SM), but can reach observable levels in many of its extensions. We review the possible size of the effective vertices Ztq, gamma tq, gtq and Htq in several SM extensions, and discuss the processes in which these interactions might show up at LHC and at a high energy e+ e- linear collider.

研究动机与目标

• 评估标准模型扩展中顶夸克味改变中性耦合（$Ztq$、$\gamma tq$、$gtq$、$Htq$）的理论大小。
• 识别关键的高能对撞机过程——尤其是顶夸克衰变和单顶夸克产生——其中这些FCN相互作用可能被探测到。
• 比较LHC与未来 $e^+e^-$ 直线对撞机（TESLA）对不同类型FCN顶点的发现潜力。
• 强调LHC与TESLA在区分 $\gamma_{\mu}$ 与 $\sigma_{\mu\nu}$ 耦合以及识别轻夸克味方面的互补性。
• 强调FCN相互作用作为新物理的间接探针的作用，尤其是在与其他低能和高能可观测量相关联时。

提出的方法

• 构建至五维的唯象拉格朗日量，以描述 $Ztq$、$\gamma tq$、$gtq$ 和 $Htq$ 顶点，通过 $X_{qt}^{L,R}$、$\kappa_{qt}$、$\lambda_{qt}$、$\zeta_{qt}$ 和 $g_{qt}$ 参数化耦合。
• 利用相对论性运动学和相空间积分，推导FCN顶夸克衰变的分支宽度和分支比，给出 $\Gamma(t\to qZ)_{\gamma}$、$\Gamma(t\to qZ)_{\sigma}$、$\Gamma(t\to q\gamma)$、$\Gamma(t\to qg)$ 和 $\Gamma(t\to qH)$ 的显式表达式。
• 使用蒙特卡罗模拟和背景估计，评估LHC与TESLA的发现潜力，假设LHC的亮度为300 fb$^{-1}$，TESLA的亮度为345–534 fb$^{-1}$。
• 计算TESLA中单顶夸克产生过程的 $3\sigma$ 发现阶段限制，中心系能量为500和800 GeV。
• 利用Gordon恒等式消除冗余算符，并确保有效场论框架的一致性。
• 分析FCN耦合与其他可观测量之间的关联，例如TESLA中的 $t\bar{t}$ 产生以及CKM矩阵中的CP破坏相位。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型的扩展中，顶夸克味改变中性耦合的理论预期是什么？
• RQ2 LHC与TESLA $e^+e^-$ 对撞机在探测涉及 $Z$、$\gamma$、$g$ 和 $H$ 的不同类型FCN顶点（$\gamma_{\mu}$ 与 $\sigma_{\mu\nu}$）时的灵敏度如何比较？
• RQ3 在TESLA中，单顶夸克产生过程中FCN相互作用的 $3\sigma$ 发现阶段限制是什么？其依赖于质心系能量和亮度的程度如何？
• RQ4 顶夸克衰变中的FCN相互作用能否作为新物理的间接信号，尤其是在与其他高能或低能可观测量相关联时？
• RQ5 LHC与TESLA联合在多大程度上能够区分导致FCN耦合的有效算符的本质？

主要发现

• LHC对涉及 $Z$ 玻色子、胶子和希格斯玻色子的 $\gamma_{\mu}$ 耦合具有更高的灵敏度，对分支比的 $3\sigma$ 发现阶段限制低至 $1.9 \times 10^{-4}$。
• TESLA对涉及 $Z$ 玻色子和光子的 $\sigma_{\mu\nu}$ 耦合更敏感，在800 GeV能量下对 $t \to qZ(\sigma_{\mu\nu})$ 的 $3\sigma$ 限制低至 $7.2 \times 10^{-6}$。
• 在TESLA中，$t \to q\gamma$ 的分支比可探测至 $1.0 \times 10^{-5}$，表明对电磁偶极型FCN相互作用具有高灵敏度。
• 对 $t \to qg$ 的分支比对 $\zeta_{qt}^2$ 敏感，其 $3\sigma$ 发现阶段限制为 $7.93 \times 10^{-6}$，对应 $\zeta_{qt}^2 \approx 1.26 \times 10^{-6}$。
• 对于 $t \to qH$，$3\sigma$ 限制对应 $g_{qt}^2 \approx 2.58 \times 10^{-3}$，意味着分支比限制为 $9.97 \times 10^{-4}$。
• 与其它可观测量的关联，例如 $|X_{ct}| \sim 0.015$ 耦合暗示CKM矩阵中可观测的CP破坏相位 $\chi \sim \pm 0.3$，表明FCN信号可能与 $B$ 物理中的可观测效应相关联。