利用 ATLAS 探測器在多輕子末態中尋找頂夸克和希格斯玻色子之間的味變中性流耦合

核心概念

這篇會議記錄報告了利用 ATLAS 探測器在大型強子對撞機上收集的 140 fb−1 的 13 TeV 質子-質子碰撞數據，尋找涉及頂夸克、希格斯玻色子和上夸克或粲夸克之間的味變中性流 (FCNC) 相互作用的研究結果。

摘要

研究目標

本研究旨在利用 ATLAS 探測器在大型強子對撞機上收集的 140 fb−1 的 13 TeV 質子-質子碰撞數據，尋找涉及頂夸克、希格斯玻色子和上夸克或粲夸克之間的味變中性流 (FCNC) 相互作用。

方法

• 研究人員考慮了兩種通道：頂夸克-反夸克對的產生，其中一個頂夸克通過 FCNC 衰變，以及頂夸克和希格斯玻色子的伴隨產生。
• 最終狀態包含兩個同電荷輕子，或三個輕子，其中兩個具有相同的電荷。
• 開發了兩種定制的重建算法：遞歸拼圖重建和中微子獨立組合估計器，以創建增強信號和背景分離的變量。
• 使用人工神經網絡 (NN) 將這些變量組合成單個判別式 DNN 分數。
• 使用輪廓似然擬合 NN 輸出分佈以獲得信號歸一化。

主要發現

• 沒有觀察到 FCNC 的證據。
• t → Hu 和 t → Hc 的分支比的觀察（預期）上限分別確定為 B(t → Hu) < 2.8(3.0)×10−4 和 B(t → Hc) < 3.3(3.8)×10−4。
• 這些結果與其他涉及希格斯玻色子衰變為 ττ、b¯b 和 γγ 的 ATLAS 搜索相結合，進一步提高了分支比的上限：B(t → Hu) < 2.6 × 10−4 和 B(t → Hc) < 3.4 × 10−4。

結論

• 這些結果代表了對這些耦合迄今為止最強的限制，轉化為對描述 FCNC 相互作用的有效場論威爾遜係數的限制。
• 通過將此分析與其他 ATLAS FCNC 搜索相結合，實現了靈敏度的進一步提高，為未來的研究設定了新的基準。

統計資料

研究使用了 ATLAS 探測器在大型強子對撞機上收集的 140 fb−1 的 13 TeV 質子-質子碰撞數據。
t → Hu 和 t → Hc 的分支比的觀察（預期）上限分別確定為 B(t → Hu) < 2.8(3.0)×10−4 和 B(t → Hc) < 3.3(3.8)×10−4。
結合其他 ATLAS FCNC 搜索後，分支比的上限進一步提高到 B(t → Hu) < 2.6 × 10−4 和 B(t → Hc) < 3.4 × 10−4。

引述

“標準模型 (SM) 預測涉及頂夸克和希格斯玻色子的 FCNC 過程的分支比極小，預計 t → Hq（其中 q 是上夸克或粲夸克）的發生率約為 10−15。”
“然而，各種超出標準模型的理論，例如雙希格斯二重態模型 [2]，預測增強的比率高達 10−3。”
“因此，在大型強子對撞機上觀察到這些罕見的相互作用將表明存在超出標準模型的新物理學。”

從以下內容提煉的關鍵洞見

Search for flavour-changing neutral current couplings between the top quark and the Higgs boson in multilepton final states with the ATLAS detector

by Shayma Wahda... 於 arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14026.pdf

深入探究

這些結果如何影響我們對超出標準模型的物理的理解？

這些結果加深了我們對超出標準模型物理的理解，主要體現在以下幾個方面：

對新物理模型的約束: 實驗結果對頂夸克與希格斯玻色子間的味改變中性流(FCNC)耦合設定了更嚴格的限制。這些限制可以排除或限制一些預測較大 FCNC 耦合的新物理模型，例如某些雙希格斯二重態模型 (2HDM)。
對 GIM 機制的肯定: 標準模型通過 GIM 機制抑制了樹階 FCNC 過程，實驗結果與標準模型預測相符，進一步支持了 GIM 機制。
指引未來研究方向: 雖然目前沒有觀測到 FCNC 過程，但實驗結果提高了對 FCNC 耦合的靈敏度。這將激勵物理學家在未來實驗中繼續尋找 FCNC 過程，並推動更高能量、更高亮度對撞機的發展，以期最終發現超出標準模型的新物理。

如果在未來的實驗中觀察到 FCNC，這將對粒子物理學的標準模型產生什麼影響？

如果在未來的實驗中觀察到 FCNC 過程，將對粒子物理學的標準模型產生重大影響：

明確指出標準模型的局限性: 標準模型禁止樹階 FCNC 過程，觀測到 FCNC 將明確表明標準模型是不完備的，需要引入新的粒子或相互作用來解釋這些現象。
為新物理提供重要線索: FCNC 過程的具體性質，例如耦合強度、參與的粒子等，將為新物理模型的構建提供重要線索，幫助我們理解宇宙中更深層次的規律。
引發粒子物理學的革命: 標準模型是目前描述微觀世界最成功的理論，但它也存在一些無法解釋的現象，例如暗物質、暗能量等。FCNC 的發現將是粒子物理學的重大突破，可能引發新一輪的理論和實驗研究，推動我們對宇宙的認識邁向新的高度。

這些研究結果如何應用於其他領域，例如宇宙學或天體物理學？

雖然這些研究結果主要集中在粒子物理學領域，但它們也可能對宇宙學和天體物理學產生間接影響：

暗物質的探索: 一些新物理模型將 FCNC 過程與暗物質聯繫起來。例如，某些模型預測暗物質粒子可以通過 FCNC 過程產生。因此，對 FCNC 過程的限制可以幫助我們縮小暗物質粒子的搜尋範圍。
早期宇宙的演化: 在宇宙早期，能量密度極高，FCNC 過程可能扮演著重要角色。通過研究 FCNC 過程，我們可以更好地理解早期宇宙的演化過程，例如重子不對稱性的起源等。
天體物理現象的解釋: 一些天體物理現象，例如宇宙射線的組成、高能伽馬射線的起源等，可能與 FCNC 過程有關。對 FCNC 過程的理解可以幫助我們更好地解釋這些現象。
總之，雖然這些研究結果主要集中在粒子物理學領域，但它們也可能對其他領域產生重要影響，加深我們對宇宙的理解。