Flavour-Changing Neutral Current Top Decays in the Three Higgs Doublet Model

Resumo Técnico: Decaimentos de Topos com Corrente Neutra que Mudam o Sabor no Modelo de Três Dubletos de Higgs

Enunciado do Problema
Embora o Modelo Padrão (SM) descreva com sucesso as partículas elementares, ele deixa várias questões fenomenológicas sem resposta. Processos de Corrente Neutra que Mudam o Sabor (FCNC) envolvendo o quark top servem como sondas indiretas sensíveis para a física Além do Modelo Padrão (BSM). No SM, os decaimentos FCNC do top ($t \to qX$, onde $q=u,c$ e $X$ é um bóson neutro) estão ausentes em nível de árvore e são altamente suprimidos no nível de um loop pelo mecanismo de Glashow-Iliopoulos-Maiani (GIM), resultando em razões de ramificação na ordem de $10^{-17}$ a $10^{-12}$. Os limites experimentais atuais do LHC estão ordens de magnitude acima dessas previsões, deixando espaço para contribuições de nova física. Este trabalho investiga esses decaimentos raros dentro do arcabouço do Modelo de Três Dubletos de Higgs (3HDM) democrático, um modelo que apresenta um setor escalar estendido com três dubletos CP-par, dois CP-ímpar e quatro Higgses carregados.

Metodologia
Os autores analisam o 3HDM com um potencial escalar com simetria $Z_3$ e Conservação de Sabor Natural (NFC) imposta via uma estrutura Yukawa democrática. Esta estrutura garante que cada dubleto de Higgs se acople a um tipo específico de férmion, eliminando FCNCs em nível de árvore, ao mesmo tempo em que permite contribuições significativas em nível de loop.

1. Definição do Modelo: O setor escalar é definido por três dubletos $\Phi_{1,2,3}$ com uma simetria $Z_3$. O modelo é parametrizado pelos valores de expectativa do vácuo (VEVs) $v_{1,2,3}$, ângulos de mistura ($\alpha_{1,2,3}$ para CP-par, $\theta$ para CP-ímpar, $\gamma$ para carregado) e massas escalares. O estudo foca em três distintos cenários de "limite de alinhamento" correspondentes a diferentes hierarquias de massa entre os estados CP-par ($H_1, H_2, H_3$):

   • Hierarquia Regular: $H_1$ é o Higgs semelhante ao SM ($\sim 125$ GeV).
   • Hierarquia Medial: $H_2$ é o Higgs semelhante ao SM.
   • Hierarquia Invertida: $H_3$ é o Higgs semelhante ao SM.

2. Estrutura de Cálculo: O modelo foi implementado no SARAH para gerar arquivos compatíveis com FeynArts. Amplitudes de um loop para $t \to qX$ (com $X = \gamma, g, Z, H_{1,2,3}, A_{2,3}$) foram geradas e avaliadas analiticamente usando FormCalc e numericamente com LoopTools. As razões de ramificação foram computadas em relação a uma largura total do quark top de $\Gamma_t = 1,42$ GeV.

3. Varredura de Parâmetros e Restrições: Uma varredura multidimensional de parâmetros foi realizada usando sequências quase-aleatórias de Sobol. Os pontos foram filtrados por:

   • Consistência Teórica: Estabilidade do vácuo, perturbatividade das constantes de acoplamento ($|\lambda| \le 4\pi$), e unitariedade em nível de árvore (autovalores da matriz de espalhamento $< 8\pi$).
   • Restrições Experimentais: Testes de precisão eletrofraca (parâmetros oblíquos $S, T, U$), limites de exclusão diretos do LHC/LEP/Tevatron sobre novos escalares, medições de intensidade de sinal de Higgs (exigindo que o estado semelhante ao SM corresponda às propriedades de 125 GeV) e a razão de ramificação de $B \to X_s \gamma$.

Principais Contribuições e Resultados

• Hierarquia Regular ($H_1 \approx 125$ GeV):

  • As restrições experimentais (particularmente os parâmetros oblíquos) forçam os escalares extras a serem quase degenerados em massa, suprimindo contribuições de loop.
  • As razões de ramificação previstas para $t \to q\gamma$ e $t \to qg$ na região teoricamente permitida variam de $10^{-13}$ a $10^{-9}$.
  • Ao aplicar as restrições experimentais ('T+E'), esses valores são reduzidos em 2–4 ordens de magnitude, permanecendo bem abaixo dos limites atuais do LHC ($BR \lesssim 10^{-4}$).
  • O canal $t \to qH_1$ mostra uma grande variação ($10^{-19}$ a $10^{-8}$), sondando o grau de alinhamento.

• Hierarquia Medial ($H_2 \approx 125$ GeV):

  • Este cenário permite escalares não-SM mais leves ($H_1, A_2, A_3$) que não estão sujeitos à mesma supressão de alinhamento que o estado semelhante ao SM.
  • O canal $t \to qH_1$ pode atingir razões de ramificação tão altas quanto $O(10^{-1})$ na varredura apenas teórica, impulsionado por acoplamentos Yukawa consideráveis e pela falta de supressão de alinhamento.
  • As restrições experimentais reduzem significativamente essas taxas (tipicamente para $O(10^{-13} - 10^{-9})$), mas o modo $t \to qH_1$ permanece uma assinatura distinta comparada à hierarquia regular.
  • O canal $t \to qA_2$ torna-se cinematicamente proibido na varredura 'T+E' devido às restrições de massa, enquanto $t \to qA_3$ permanece acessível, porém suprimido.

• Hierarquia Invertida ($H_3 \approx 125$ GeV):

  • Nenhuma região do espaço de parâmetros satisfaz simultaneamente as restrições teóricas e experimentais. A tensão surge das grandes separações de massa necessárias entre o estado pesado semelhante ao SM e os escalares mais leves, que violam os testes de precisão eletrofraca.
  • No entanto, a região teoricamente permitida ('T') serve como um benchmark, mostrando que, se todos os escalares neutros forem cinematicamente acessíveis (massas $< m_t$), as razões de ramificação para $t \to qH_{1,2}$ podem se aproximar de $O(10^{-4})$.

Significância e Conclusões
O artigo conclui que os decaimentos FCNC do top são uma poderosa sonda do setor escalar estendido no 3HDM. O estudo destaca que:

1. Alinhamento e Hierarquia Importam: As razões de ramificação previstas dependem fortemente da hierarquia de massa dos escalares CP-par e do limite de alinhamento específico. O Higgs semelhante ao SM permanece alinhado com o vácuo eletrofraco, suprimindo seus acoplamentos FCNC, enquanto os escalares não-SM carregam as interações complementares que impulsionam as taxas induzidas por loop.
2. Sensibilidade a Escalares Leves: Cenários com uma hierarquia medial, apresentando escalares não-padrão mais leves, podem gerar razões de ramificação significativamente superiores às expectativas do SM. Embora os limites experimentais atuais ainda não tenham sido violados, as taxas previstas para canais como $t \to qH_1$ em regiões viáveis estão dentro da sensibilidade projetada para o LHC de Alta Luminosidade (HL-LHC).
3. Perspectivas Futuras: Os resultados sugerem que decaimentos raros do top em estados escalares não-SM oferecem um canal de descoberta promissor para o 3HDM. Experimentos de colisores futuros, particularmente o HL-LHC e a próxima geração de colisores de hádrons, serão capazes de sondar as regiões fenomenologicamente viáveis do espaço de parâmetros identificadas neste trabalho, fornecendo insights cruciais sobre a estrutura do setor escalar e a quebra de simetria eletrofraca.