⚛️ high-energy experiments

Search for top quark flavor-changing neutral currents in multilepton final states using an effective field theory approach in proton--proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS検出器によって収集された、 $\sqrt{s}$ = 13 TeVにおける138 fb $^{-1}$ の陽子陽子衝突データを用い、本研究は、標準模型有効場理論の枠組み内におけるトップクォークのフレーバー変化中性流に関する初のグローバルな同時探索を提示し、そのような相互作用の証拠は観測されなかったものの、関連するウィルソン係数および崩壊分岐比に対して現在までで最も厳格な制限を確立した。

原著者： CMS Collaboration

公開日 2026-08-21

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CC BY 4.0

原著者： CMS Collaboration

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亜原子物理学の宇宙には、物質の最小の構成要素がどのように相互作用するかを記述する、標準模型と呼ばれる一連の規則が存在します。数十年にわたり、このモデルは驚異的な成功を収めてきましたが、いくつかの未解決の疑問を残しています。最も根強い謎の一つは、既知の素粒子の中で最も重いトップクォークに関するものです。標準模型によれば、トップクォークは電荷を持つ粒子とパートナーを交換することなしに、アップクォークやチャームクォークのようなより軽いクォークへと、その正体（アイデンティティ）を変えることはほとんどありません。この制限は非常に厳格であり、そのような事象は発生する確率が極めて低いため、事実上観測不可能であると予測されています。しかし、多くの物理学者は、現在の理解を超えた未知の力や粒子によって、この規則が破られるのではないかと疑っています。もしトップクォークが電荷の交換なしにそのフレーバーを変える様子が一度でも観察されれば、それは標準模型が不完全であり、新しい物理学が発見されるのを待っているという明確な兆候となります。

スイスの大型ハドロン衝突型加速器にあるCMS検出器を用いて研究を行っている科学者チームは、これら稀な事象に対する、これまでで最も包括的な探索を実施しました。彼らは、13テラ電子ボルトのエネルギーレベルにおける数年間の稼働によって収集されたデータ量に相当する、合計138フェムトバーンの逆フェムトバルに相当する、陽子・陽子衝突からの膨大なデータコレクションを分析しました。研究者たちは、単一の特定の新しい相互作用を探すのではなく、「標準模型有効場理論」と呼ばれるフレームワークを用いて広い網を投げかけました。このアプローチにより、彼らは単一の新しい粒子が存在すると仮定するのではなく、既知の物理法則への小さな調整として、膨大な数の可能な新しい相互作用を同時にテストすることが可能になります。彼らは、特定の難解なシグネチャー、すなわち、しばしば同じ電荷を持つ電子やミューオンといった、3つ以上の電荷を持つ粒子（レプトン）を生成する衝突に焦点を当てました。

研究者たちは、数十億もの衝突イベントの中から、彼らの基準に一致するわずかなイベントを見つけ出すためにデータを精査しました。彼らは、トップクォークがヒッグス粒子やZ粒子のようなボソン、あるいはレプトンのペアと直接相互作用し、異常な方法で崩壊する可能性のある、非常に特定のパターンを探していました。これらの稀な信号を、通常の衝突による圧倒的な背景（バックグラウンド）から区別するために、チームは生成される粒子のエネルギーと方向の微妙な違いを認識するように訓練された高度なコンピュータアルゴリズムを使用しました。彼らは、ジェット（クォークによって生成される粒子の噴流）の数と、bタグ付きジェット（ボトムクォークに由来すると特定されたジェット）の数に基づいて、データを異なるカテゴリーに分類しました。この入念な分類により、新しい信号が最も顕著に現れる領域を孤立させることができました。

分析を実行した後、科学者たちは、彼らが追い求めていたフレーバーを変える中性電流の証拠を見出すことはできませんでした。データは標準模型の予測と完全に一致しており、新しい物理学を示唆するような有意な偏差は見られませんでした。この結果は、トップクォークがこれらの特定の相互作用を通じてどの程度の頻度でフレーバーを変えることができるかについて、最も厳しい制限を課したものであるため、重要です。24種類の異なる理論的パラメータを同時にテストすることで、チームは将来の実験に向けた新たな世界的ベンチマークを確立しました。彼らが望んでいた新粒子は見つかりませんでしたが、彼らの研究は、新しい物理学がトップクォーク部門においてどのように現れ得るかという幅広い可能性を事実上排除することになりました。この研究は、測定の精度範囲内において、トップクォークが標準模型の予測通りに正確に振る舞うことを裏付けており、それとは異なる理論を示唆していた多くの可能性に対して、その扉を閉ざしたことになります。

技術要約：マルチレプトン最終状態におけるトップクォークのフレーバー変化中性流（FCNC）の探索

問題と動機
標準模型（SM）において、トップクォークに関わるフレーバー変化中性流（FCNC）過程は、グシャ・イリオプー・マイアニ（GIM）機構により高度に抑制されており、予測される分岐比は $O(10^{-12})$ 以下である。しかし、Rパリティを破る超対称性理論や拡張ヒッグスセクターを持つモデルなど、様々な標準模型の拡張モデルは、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で観測可能なレベルまで増強されたFCNCレートを予測している。ATLASおよびCMSコラボレーションによるこれまでの探索では、特定の粒子（ヒッグス、グルオン、光子、またはZボソン）によって媒介されるトップクォークのFCNC相互作用が個別に調査されてきたが、これらの研究は通常、異なる媒介粒子間の相関や干渉効果を無視しており、また直接的な重い標準模型外（BSM）状態に由来するFCNCも考慮していない。本解析は、標準模型有効場理論（SMEFT）の枠組み内で全ての関連する演算子を同時に制約を行うことにより、これらの限界に対処するものである。

手法
本解析は、 $\sqrt{s} = 13$ TeVにおけるCMS検出器によって収集された、積分ルミノシティ138 fb $^{-1}$ に相当する陽子・陽子衝突データを利用している。探索対象は、2つの同符号レプトン（ $2\ell_{ss}$ ）または3つのレプトン（ $3\ell$ ）を含むマルチレプトン最終状態であり、正確に1つの $b$ タグ付きジェットを含むことを要求する。

理論的枠組み： 本研究では、標準模型のラグランジアンを次元6の演算子で拡張したSMEFT形式を採用している。研究は、トップクォークセクター（$tu $および$ tc$遷移）において直接的にFCNCを媒介する24個の簡約されたウィルソン係数（WC）に焦点を当てている。これには、2つのクォークと1つのボソン（ヒッグス、W、Z、光子、グルオン）を含む演算子、および2つのクォークと2つのレプトンの演算子が含まれる。自由パラメータを削減するため、解析では左手型および右手型トップクォーク場の結合強度が等しく、2クォーク–2レプトン演算子における3つの荷電レプトンフレーバーに対する共通のWCを仮定している。
イベント選択と分類： イベントは、レプトンの多重度および不変質量に基づいて分類される。 $3\ell$ チャネルは、さらに「on-Z」（ $m_Z$ 付近の反対符号同フレーバーレプトン対を含む）および「off-Z」（ $m_Z$ から離れた不変質量）のカテゴリーに細分され、これによりZ媒介過程と2クォーク–2レプトン演算子を区別する。信号領域（SR）は正確に1つの $b$ ジェットによって定義され、制御領域（CR）は1つより多い $b$ ジェットを持ち、背景事象の制約に使用される。
信号抽出： 多変数識別器は、ブーステッド決定木（BDT）を用いて構築される。入力特徴量には、レプトン、ジェット、および $b$ ジェットの運動学的変数、ならびに「ジグソー（jigsaw）」再構成アルゴリズムを通じて導出されたトップクォークおよびボソン（ヒッグスまたはZ）の運動学が含まれる。BDTは、既約な標準模型背景事象（例： $t\bar{t}W$ 、 $t\bar{t}Z$ 、ダイボソン）および可約な背景事象（非プロンプトレプトン、電荷誤識別、光子転換）からFCNC信号を分離するように訓練される。
統計解析： 全てのカテゴリーおよびデータ収集期間にわたって、同時ビン最大尤度フィットが行われる。期待される信号収量は、24個のWCの二次関数としてパラメータ化される。実験的効果（ルミノシティ、レプトン/ジェット効率）および理論的不確かさ（PDF、スケール変動、背景事象の断面積）を含む系統的不確かさは、核となるパラメーター（nuisance parameter）として扱われる。信頼区間はプロファイル尤度スキャンを用いて導出される。

主要な貢献

グローバルSMEFTフィット： 本研究は、全ての関連するトップクォークFCNC演算子が単一のデータフィット内で同時に制約される、SMEFTの枠組みにおける初のグローバルな探索を提示している。
2クォーク–2レプトン演算子の直接的なプローブ： 本解析は、2クォーク–2レプトン演算子によって媒介されるFCNC過程に対する初の直接的な実験的制約を提供する。これは、この文脈においてこれまで調査されていなかったクラスの相互作用である。
統一された枠組み： 生成モードと崩壊モードを同時に扱い、干渉と相関を考慮することにより、本解析はLHCにおける将来の測定および組み合わせのための枠組みを確立する。

結果
FCNC相互作用の証拠は見出されず、データは標準模型の予測と一致している。解析は、全ての24個のウィルソン係数に対して68%および95%信頼区間を設定する。

ウィルソン係数： $tu $および$ tc $遷移に関連する係数（ヒッグス（$ c_{t\phi} $）、Zボソン（$ c_{tZ}, c_{\phi Q}, c_{\phi t} $）、光子（$ c_{tA} $）、グルオン（$ c_{tG} $）、および4フェルミオン演算子（$ c_{t\ell}, c_{te}$等）によって媒介されるものを含む）に対して制限が課される。
分岐比： ウィルソン係数の制限は、トップクォークFCNC崩壊分岐比の制約へと翻訳される。結果として、2クォーク–2レプトン相互作用を介したトップクォークFCNC崩壊分岐比に対して、現在最も厳しい制限が課される。EFTの枠組み内における $B(t \to Hq)$ および $B(t \to Zq)$ の上限は、異常結合に基づく従来の結果と同等、あるいはより厳格であることが示されている。

意義
本論文は、これらの結果が、SMEFTにおける完全な関連トップクォークFCNC演算子のセットに対する初の同時制約を構成すると主張している。グローバルなベンチマークを提供することにより、本解析はLHCにおけるトップクォークFCNC測定の将来的な組み合わせを容易にする。さらに、本解析は2クォーク–2レプトン演算子によって媒介されるFCNC過程に対する初の直接的な実験的制約を提供し、トップクォークセクターにおける標準模型を超える物理の探索範囲を大幅に拡大するものである。

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