[论文解读] Top quark rare decays in a two Higgs doublet model for the top

Itzhak Baum|ArXiv.org|Nov 8, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文研究了在顶夸克专用的双 Higgs 双生模型（T2HDM）中顶夸克的稀有衰变，其中顶夸克仅与第二个 Higgs 双生子耦合，导致味改变相互作用增强。研究发现，$ t \to cH^0 $ 和 $ H^0 \to \bar{t}c $ 的分支比相较于标准模型和 2HDM-I, II 可增强多个数量级，最高可达 $ \sim 10^{-4} $，若高于 $ 5 \times 10^{-5} $，则可能在大型强子对撞机（LHC）中被探测到。

ABSTRACT

The two Higgs doublet model for the top (T2HDM) is a 2HDM in which the top quark receives a special status, which endows it with a naturally large mass, and also gives rise to unique FC charged and neutral scalar interactions. We calculate the BR of the t->ch and h->tc rare decays in the T2HDM, at 1-loop and tree level. We find that the FC scalar interactions play a significant role in these decays. We find that the BR of these decays at 1-loop level in the T2HDM can be significantly enhanced over the 2HDM-I,II, reaching up to ~10^-4, and that the BR(t->ch) in the T2HDM can be detected at the LHC.

研究动机与目标

• 探讨将顶夸克特殊处理为仅与第二个 Higgs 双生子耦合的双 Higgs 双生模型的物理含义。
• 研究在标准模型之外的新物理框架下，顶夸克与粲夸克相关味改变（FC）衰变的潜在增强。
• 计算并比较 T2HDM 中稀有衰变 $ t \to cH^0 $ 和 $ H^0 \to \bar{t}c $ 的分支比，与标准模型及 2HDM-I, II 的结果进行对比。
• 确定这些稀有衰变在大型强子对撞机（LHC）中的可探测性，特别是在 $ \tan\beta $ 较大的参数区域。
• 通过确保紫外发散项在所有单圈图中相互抵消，验证一阶微扰幅计算的一致性。

提出的方法

• 从第一性原理推导 T2HDM 的 Yukawa 项与 Higgs 位能，显式构建标量与夸克之间的相互作用顶点及三标量相互作用顶点。
• 利用为 T2HDM 推导出的费曼规则，计算 $ t \to cH^0 $ 和 $ H^0 \to \bar{t}c $ 的一阶微扰幅与树图幅。
• 采用维数正则化方法，令 $ \varepsilon = 4 - d $，以处理圈积分中的紫外发散。
• 对所有一阶微扰图中的 $ \frac{1}{\varepsilon} $ 极点进行抵消检查，以确保重整化群不变性与计算的一致性。
• 利用 Higgs 粒子与顶夸克的总宽度计算分支比，并在 T2HDM、SM 与 2HDM-I, II 之间进行比较。
• 对 $ m_{H^+}, m_{h^0}, m_{A^0}, \tan\beta $ 的参数空间进行数值扫描，以探索最大增强区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准模型及 2HDM-I, II 相比，T2HDM 是否能显著增强稀有顶夸克衰变 $ t \to cH^0 $ 的分支比？
• RQ2 在 T2HDM 中，衰变 $ H^0 \to \bar{t}c $ 的增强程度如何？其在 LHC 中是否具有可探测性？
• RQ3 T2HDM 参数空间中的哪些区域会导致味改变衰变的增强最大？
• RQ4 $ t \to cH^0 $ 和 $ H^0 \to \bar{t}c $ 的一阶微扰幅与树图幅在大小与结构上如何比较？
• RQ5 一阶微扰幅计算是否自洽？其紫外发散项是否在计算中完全抵消？

主要发现

• T2HDM 中 $ \text{BR}(t \to cH^0) $ 的分支比相较于标准模型与 2HDM-I, II 可增强多个数量级，最高可达 $ \sim 10^{-4} $。
• T2HDM 中 $ \text{BR}(H^0 \to \bar{t}c) $ 可超过 $ 10^{-4} $，远大于标准模型与 2HDM-I, II 中的值。
• 增强效应在以中性 Higgs 粒子主导的区域最为显著，特别是当 $ \tan\beta $ 较大，且 $ m_{H^+}, m_{h^0}, m_{A^0} $ 取特定组合时。
• 若 $ \text{BR}(t \to cH^0) $ 超过 $ \sim 5 \times 10^{-5} $，LHC 可探测该衰变，而本文发现该阈值在 T2HDM 的某些参数区域中可被达到。
• 一阶微扰幅中紫外发散项的抵消在分析与数值上均得到验证，表明计算具有一致性。
• 数值结果表明，$ \text{BR}(t \to cH^0) $ 随 $ \tan\beta $ 增大而增加，且对带电 Higgs 粒子质量敏感，在 $ \tan\beta \sim 28 $ 与 $ m_{H^+} \sim 660 \, \text{GeV} $ 时达到最大值。