[論文レビュー] Exploring SMEFT Couplings Using the Forward-Backward Asymmetry in Neutral Current Drell-Yan Production at the LHC

Anataichuk, Andrii, S. Moch+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、SMEFTフレームワークを用いて、LHCにおける中性荷電Drell-Yan過程の陽子対電子対生成における前向き後向き非対称性（AFB）がZボソンとクォークのカップリングに与える感受性を調査する。3000 fb⁻¹の高インテンシティLHCデータを想定し、xFitterフィットプラットフォームを用いてシミュレーションを行うと、AFB測定はZ-クォークカップリングをパーセントレベルの精度で制約可能であり、既存のデータをはるかに上回り、将来のコライダーの精度に近づく。一方で、陽子のPDFセットに強く依存しており、同時にPDFとカップリングをフィットする可能性を示している。

ABSTRACT

Neutral current Drell–Yan (DY) lepton-pair production is considered to study Z-boson quark couplings. Using the open-source fit platform xFitter, we investigate the impact of high-statistics measurements of the neutral current DY (NCDY) forward–backward asymmetry $A_{ extrm{FB}}$ near the weak boson mass scale in the present and forthcoming stages of the Large Hadron Collider (LHC). Besides recovering earlier results on the $A_{ extrm{FB}}$ sensitivity to parton distribution functions, we analyze the precision determination of Z-boson couplings to left-handed and right-handed u-quarks and d-quarks, and explore Beyond-Standard-Model contributions using the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) framework. We perform a sensitivity study and comment on the role of the $A_{ extrm{FB}}$ asymmetry for the electroweak SMEFT fit and precision Z-boson physics at the LHC and high-luminosity HL-LHC.

研究の動機と目的

• LHCにおける中性荷電Drell-Yan生成における前向き後向き非対称性（AFB）が、uおよびd型クォークとカップリングするZボソンに与える感受性を評価すること。
• AFB測定が、特に左巻きおよび右巻きクォークを対象とする標準模型効果的場理論（SMEFT）カップリングの制約をどのように向上させ得るかを評価すること。
• AFBが精度のとれた電弱物理学および標準模型を越える（BSM）探索、特に重いZ′およびW′ボソンに関連する運動量領域において果たす役割を調査すること。
• HL-LHCにおけるAFBに基づくカップリング決定の予想精度を、既存のLEP、HERA、Tevatronおよび将来のLHeC/FCC-ehデータと比較すること。
• さまざまな運動量カットおよびPDFセット依存性の下での結果の頑健性を検証し、同時にPDFとカップリングをフィットする必要性を評価すること。

提案手法

• 次元6のオペレーターを含むSMEFTラグランジアンを用い、Zボソンとuおよびd型クォークのカップリングへの補正をモデル化する。Zピーク近辺では、4フェルミオンおよび電気双極子モーメントオペレーターを無視する。
• SMEFT補正を実装し、AFB非対称性を予測するために、xFitterフィットプラットフォームを用いる。これは、参考文献[9]の先行実装を拡張したものである。
• HL-LHCの3000 fb⁻¹のフルインテンシティ条件を想定し、Mℓℓ < 145 GeV領域におけるAFB非対称性の擬似データを生成する。
• 複数のPDFセット（ABMP16、CT18、HERAPDF2.0、MSHT20、NNPDF4.0）を用いて、パートン分布関数（PDF）への依存性を評価する感度研究を実施する。
• 既存のLEP、HERA、TevatronおよびLHCデータ、および将来のコライダー（LHeCおよびFCC-eh）の予測と結果を比較する。
• Mℓℓ < 115 GeVに stricter なカットを適用した再分析を実施し、4フェルミオンオペレーターがピーク外領域に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける中性荷電Drell-Yan生成のAFB非対称性は、SMEFTフレームワーク内において、uおよびd型クォークとカップリングするZボソンに対して、競争力のある制約を提供できるか？
• RQ2 HL-LHCにおけるAFB測定から得られるZ-クォークカップリングの予想不確実性は、既存の実験および将来のコライダーと比較してどの程度か？
• RQ3 AFBがSMEFTカップリングに与える感受性は、陽子PDFセットの選択にどれほど依存しており、これが同時にPDFとカップリングをフィットする必要性を生じるか？
• RQ4 運動量カット（例：Mℓℓ < 115 GeV 対 Mℓℓ < 145 GeV）の違いが、AFBからのカップリング決定精度に与える影響は何か？
• RQ5 LHCにおけるAFB測定は、特にピーク外領域において、4フェルミオンSMEFTオペレーターに感度を示せるか？

主な発見

• 3000 fb⁻¹のデータを有するHL-LHCでは、Z-クォークカップリングがuおよびd型クォークに対してパーセントレベルの精度で決定可能であり、既存のデータを1桁以上上回る。
• d型クォークへのカップリングの不確実性は、u型クォークへのものと比較して約2倍大きい。これは、AFBの感受性が低いことに起因する。
• 結果はPDFセットの選択に強く依存しており、ABMP16、CT18、HERAPDF2.0、MSHT20、NNPDF4.0の各セットが一貫したがPDF依存性のある制約をもたらす。
• Mℓℓ < 115 GeVに stricter なカットを適用した頑健性チェックにより、カップリングの不確実性が約7%増加したが、主たる結果の安定性が確認された。
• HL-LHCで達成される精度は、将来のLHeCおよびFCC-ehで期待される精度と同等またはわずかに劣る。
• Zピーク近辺（Mℓℓ < 145 GeV）では、4フェルミオンオペレーターの影響は無視できるほど小さく、分析から除外することが正当化されるが、より高い質量領域では重要になる可能性がある。