탑 쿼크를 이용한 플레버 대칭과 위반 탐색

초록

ATLAS와 CMS가 13 TeV LHC Run 2 데이터(138–140 fb⁻¹)를 활용해 탑 쿼크에서의 전하 레프톤 플레버 보편성(LFU) 정밀 측정, 전하 레프톤 플레버 위반(cLFV), 바리온 수 위반(BNV), 그리고 무거운 중성 렙톤(HNL) 존재 여부를 탐색하였다. LFU는 B(W→μν)/B(W→eν)=0.9995±0.0045 로 SM과 일치했으며, cLFV·BNV·HNL에 대한 10⁻⁶–10⁻⁸ 수준의 브랜치 제한을 새롭게 제시했다.

상세 분석

본 논문은 ATLAS와 CMS가 13 TeV 양성자-양성자 충돌에서 수집한 Run 2 전체 데이터(ATLAS 140 fb⁻¹, CMS 138 fb⁻¹)를 기반으로 탑 쿼크 섹터에서의 다양한 플레버 대칭 검증 및 위반 탐색을 종합적으로 보고한다.

첫 번째로, ATLAS는 t t̄ 다이레프톤(decay) 이벤트에서 전자와 뮤온의 W 보손 붕괴 비율을 측정하였다. Z→ℓ⁺ℓ⁻ 샘플을 이용해 전자·뮤온의 식별 효율을 인‑시투(in‑situ)로 보정하고, 전이 확률을 이중 비율 R_{μ/e}^{WZ}= (B(W→μν)/B(W→eν))·(B(Z→ee)/B(Z→μμ)) 형태로 정의하였다. 전이 확률을 추정하기 위해 전자·뮤온의 p_T·|η| 의 재가중치를 적용하고, 동시 다중 파라미터 최대우도 피팅을 수행했다. 결과는 R_{μ/e}^{W}=0.9995±0.0045 로, PDF·모델링·레프톤 불확실성이 주된 오차원인이며, 기존 PDG 평균보다 2배 가량 정밀도가 향상된 값이다.

두 번째 파트에서는 전하 레프톤 플레버 위반(cLFV)을 EFT 프레임워크에서 탐색한다. CMS는 e μ trilepton 채널에서 BDT 기반 분류기를 두 개(150 GeV 기준 상·하)로 구축해 생산(production)과 붕괴(decay) 과정을 구분하였다. 각 차원 6개의 차원-6 연산자(C_V, C_S, C_T)의 Wilson 계수를 독립적으로 피팅하고, 95 % 신뢰수준에서 |C|/Λ²를 0.02–0.45 GeV⁻²(텐서) 등으로 제한하였다. ATLAS와 CMS는 각각 μ τ trilepton(τ_h) 및 μ τ hadronic 채널에서도 유사한 BDT/DNN 기반 분석을 수행했으며, H_T 혹은 다중 클래스 DNN 점수를 이용해 신호와 배경을 구분했다. 결과적으로 브랜치 비율 B(t→qℓℓ′)는 10⁻⁶ 수준(예: u‑quark 경우 0.012–0.032 ×10⁻⁶)까지 제한되었다.

세 번째로, 바리온 수 위반(BNV) 탐색은 t q q′ ℓ 정점(ℓ=e,μ)과 연관된 LNV를 포함한다. CMS는 단일 BDT를 사용해 s‑채널·t‑채널 각각에 대한 신호를 추출했으며, 10⁻⁶–10⁻⁸ 수준의 브랜치 상한을 얻었다. 이는 8 TeV 결과 대비 10³–10⁶ 배 개선된 것이다.

마지막으로, 무거운 중성 렙톤(HNL) 탐색은 ATLAS가 최초로 t t̄ 이벤트에서 한쪽 탑이 t→Nℓ, N→Wℓ(ℓ=e,μ,τ) 경로로 붕괴하는 시그니처를 조사한 것이다. 동일 전하의 두 레프톤(e e 또는 μ μ)과 두 개의 W→jj를 요구하고, HNL 질량 15–75 GeV 구간에 대해 저·고 질량 전용 BDT를 적용했다. 프로파일 likelihood 피팅을 통해 V_{ℓN}²와 σ·BR에 대한 제한을 도출했으며, 특히 m_N>50 GeV 구간에서 기존 제한을 크게 개선하였다.

전체적으로, 본 연구는 EFT 기반 모델 독립적 접근법을 통해 탑 쿼크와 연관된 플레버 위반 현상을 10⁻⁶–10⁻⁸ 수준까지 탐색했으며, LFU 테스트에서는 0.45 % 수준의 전이 비율 정밀도를 달성했다. 향후 Run 3 데이터와 새로운 머신러닝 기법을 도입하면 제한이 더욱 강화될 전망이다.