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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

利用 CMS 检测器在 $\sqrt{s}$ = 13 TeV 下收集的 138 fb $^{-1}$ 质子-质子碰撞数据，本研究在标准模型有效场论框架内，首次进行了对顶夸克味改变中性流的全局同时搜索，在未观测到此类相互作用证据的情况下，对相关的威尔逊系数和衰变分支比建立了迄今为止最严格的限制。

原作者： CMS Collaboration

发布于 2026-08-21

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CC BY 4.0

原作者： CMS Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在亚原子物理学的宇宙中，存在着一套被称为标准模型的规则，它描述了物质最微小的构建模块如何相互作用。几十年来，这一模型一直取得了显著的成功，但它仍留下了一些未解之谜。其中一个最持久的谜团涉及顶夸克，即已知最重的基本粒子。根据标准模型，顶夸克几乎绝不会在不交换带电粒子的情况下改变其身份成为较轻的夸克（如上夸克或粲夸克）。这种限制如此严格，以至于预测此类事件发生的概率极低，低到实际上无法被观测到。然而，许多物理学家怀疑，这套规则可能会被超越我们现有理解的新型、未被发现的力量或粒子所打破。如果顶夸克被观察到在没有电荷交换的情况下改变其“味”，那将是标准模型不完整的明确信号，表明新的物理学正等待着被发现。

目前，一支在瑞士大型强子对撞机 CMS 探测器工作的科学家团队，刚刚针对这些罕见事件进行了迄今为止最全面的搜索。他们分析了来自质子-质子碰撞的海量数据，总曝光量为 138 反常量（inverse femtobarns），这对应于在 13 兆电子伏特能量水平下运行数年所收集的数据量。研究人员并没有只寻找一种特定类型的新相互作用，而是利用一个名为“标准模型有效场论”的框架撒下了一张大网。这种方法允许他们同时测试大量的可能的新相互作用，将它们视为对已知物理定律的微小调整，而不是假设存在单一的新粒子。他们的搜索重点在于一种特定且具有挑战性的特征：产生三个或更多带电粒子（即轻子，包括电子和μ子）的碰撞，这些轻子通常携带相同的电荷。

研究人员从数十亿个碰撞事件中筛选出符合其标准的极少数事件。他们正在寻找一种非常特定的模式，即顶夸克可能与玻色子（如希格斯玻色子或 Z 玻色子）或直接与一对轻子发生相互作用，从而导致其以一种异常的方式衰变。为了将这些稀有的信号与极其庞大的普通碰撞背景区分开来，该团队使用了复杂的计算机算法，这些算法经过训练，能够识别产生的粒子在能量和方向上的细微差异。他们根据喷注（jets，由夸克产生的粒子流）的数量以及带 b 标记喷注（b-tagged jets，即被识别为极可能来自底夸克的喷注）的数量对数据进行了分类。这种精细的分类使他们能够隔离出新信号最容易显现的区域。

在完成分析后，科学家们并未发现他们正在搜寻的味改变中性电流的证据。数据与标准模型的预测完全吻合，没有任何显著偏差能暗示存在新物理。这一结果具有重要意义，因为它为顶夸克通过这些特定相互作用改变其“味”的频率设定了迄今最严格的限制。通过同时测试 24 个不同的理论参数，该团队建立了一个新的全球基准，供未来的实验参考。虽然他们没有找到希望中的新粒子，但他们的工作有效地排除了关于新物理如何在顶夸克领域呈现出的广泛可能性。这项研究证实，在测量精度范围内，顶夸克的行为完全符合标准模型的预测，从而关闭了许多此前提出不同理论的大门。

技术摘要：多轻子末态中顶夸克味改变中性流的研究

问题与动机
在标准模型（SM）中，涉及顶夸克的味改变中性流（FCNC）过程受到格拉肖-伊里奥波利-马尼西（GIM）机制的高度抑制，其预测的分支比在 $O(10^{-12})$ 或更小量级。然而，各种标准模型之外的扩展模型（如 R-宇称破坏超对称和扩展希格斯部门模型）预言了可观测到的增强型 FCNC 率，这些过程可以在大型强子对撞机（LHC）上被观测到。尽管 ATLAS 和 CMS 合作组之前的研究已经分别探测了由特定粒子（希格斯、胶子、光子或 Z 玻色子）介导的顶夸克 FCNC 相互作用，但这些研究通常忽略了不同介导者之间的相关性或干涉效应，也未考虑直接源自重质量超越标准模型（BSM）态的 FCNC。本分析通过在标准模型有效场论（SMEFT）框架内进行全局搜索，同时约束所有相关的算符，从而解决了这些局限性。

方法论
本分析利用了 CMS 探测器在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下收集的质子-质子碰撞数据，对应于 138 fb $^{-1}$ 的积分亮度。搜索目标是包含两个同号带电轻子（ $2\ell_{ss}$ ）或三个轻子（ $3\ell$ ）的多轻子末态，并要求恰好有一个 $b$ 标记喷注。

理论框架： 本研究采用 SMEFT 形式化方法，通过引入维数为六的算符来扩展标准模型拉格朗日量。研究重点关注 24 个缩减后的威尔逊系数（WCs），这些系数直接介导顶夸克部门中的 FCNC 相互作用（$tu $和$ tc$ 跃迁）。其中包括涉及两个夸克和一个玻色子（希格斯、W、Z、光子、胶子）以及两个夸克和两个轻子的算符。为了减少自由参数，分析假设左手和右手顶夸克场的耦合强度相等，并且对于两个夸克-两个轻子算符中的三种带电轻子味，采用共同的威尔逊系数。
事件选择与分类： 事件根据轻子多重数和不变质量进行分类。 $3\ell$ 通道进一步细分为“on-Z”（包含一个不变质量接近 $m_Z$ 的异号同味轻子对）和“off-Z”（不变质量远离 $m_Z$ ）类别，以区分 Z 介导的过程和两个夸克-两个轻子算符。信号区（SR）定义为恰好有一个 $b$ 喷注，而具有更多 $b$ 喷注的控制区（CR）则用于约束背景。
信号提取： 使用提升决策树（BDT）构建多元判别式。输入特征包括轻子、喷注和 $b$ 喷注的运动学变量，以及通过“jigsaw”重建算法推导出的重建顶夸克和玻色子（希格斯或 Z）的运动学变量。BDT 经过训练，用以区分 FCNC 信号与不可约标准模型背景（如 $t\bar{t}W$ 、 $t\bar{t}Z$ 、双玻色子）以及可约背景（非提示轻子、电荷误识别、光子转换）。
统计分析： 在所有类别和数据采集周期内进行同步分箱最大似然拟合。预期信号产额被参数化为 24 个威尔逊系数的二次函数。系统不确定度（包括实验效应：亮度、轻子/喷注效率；以及理论不确定度：PDF、标度变化、背景截面）被视为干扰参数。置信区间通过剖面似然扫描得出。

核心贡献

全局 SMEFT 拟合： 本工作展示了首次在 SMEFT 框架下进行的顶夸克 FCNC 全局搜索，其中所有相关的算符都在单一的数据拟合中得到同时约束。
直接探测两个夸克-两个轻子算符： 该分析提供了首次对由两个夸克-两个轻子算符介导的 FCNC 过程进行的直接实验约束，这类相互作用在此背景下此前从未被探测过。
统一框架： 通过同时处理产生和衰变模式并考虑干涉与相关性，该分析为未来 LHC 的测量和组合建立了一个框架。

结果
未观察到 FCNC 相互作用的证据；数据与标准模型预测一致。分析为所有 24 个威尔逊系数设定了 68% 和 95% 的置信区间。

威尔逊系数： 对与 $tu $和$ tc $跃迁相关的系数设定了限制，包括由希格斯（$ c_{t\phi} $）、Z 玻色子（$ c_{tZ} $、$ c_{\phi Q} $、$ c_{\phi t} $）、光子（$ c_{tA} $）、胶子（$ c_{tG} $）以及四费米子算符（$ c_{t\ell} $、$ c_{te}$ 等）介导的系数。
分支比： 对威尔逊系数的限制被转化为顶夸克 FCNC 衰变分支比的约束。结果对通过两个夸克-两个轻子相互作用的顶夸克 FCNC 衰变分支比设定了迄今为止最严格的限制。在 EFT 框架内，对 $B(t \to Hq)$ 和 $B(t \to Zq)$ 的上限被发现与之前基于反常耦合的结果相似或更为严格。

意义
论文声称，这些结果构成了对 SMEFT 中全套相关顶夸克 FCNC 算符的首次同步约束。通过提供一个全局基准，该分析促进了未来 LHC 顶夸克 FCNC 测量的组合。此外，它提供了对由两个夸克-两个轻子算符介导的 FCNC 过程的首次直接实验约束，显著扩大了在顶夸克部门中寻找超越标准模型物理的范围。

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