[論文レビュー] Higgs, top and electro-weak precision measurements at future $e^+ e^-$ colliders; a combined effective field theory analysis with renormalization mixing

Sunghoon Jung, Junghwan Lee+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、将来の $e^+e^-$ コライダーにおけるヒッグス粒子、トップクォーク、電弱精度測定の統合的有効場理論解析を提示し、ヒッグス粒子とトップクォークのオペレーター間のレノルマル化群の混合を組み込む。250 GeV の ILC ステージにおけるヒッグス結合の決定は、LHC や 500 GeV ILC ステージからの正確なトップ-電弱結合測定が含まれない限り、トップ系の寄与によって著しく劣化することが判明した。トップ誘導の混合効果のため、すべてのウィルソン係数に対する頑健なグローバル制約は、500 GeV でのみ達成可能である。

ABSTRACT

This paper presents a combined analysis of the potential of a future electron-positron collider to constrain the Higgs, top and electro-weak (EW) sectors of the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT). The leading contributions of operators involving top quarks arise mostly at one-loop suppressed order and can be captured by the renormalization group mixing with Higgs operators. We perform global fits with an extended basis of 29 parameters, including both Higgs and top operators, to the projections for the Higgs, top and electro-weak precision measurements at the International Linear Collider (ILC). The determination of the Higgs boson couplings in the 250 GeV stage of the ILC is initially severely degraded by the additional top-quark degrees of freedom, but can be nearly completely recovered by the inclusion of precise measurements of top-quark EW couplings at the LHC. The physical Higgs couplings are relatively robust, as the top mass is larger than the energy scale of EW processes. The effect of the top operators on the bounds on the Wilson coefficients is much more pronounced and may limit our ability to identify the source of deviations from the Standard Model. Robust global bounds on all Wilson coefficients are only obtained when the 500 GeV stage of the ILC is included.

研究の動機と目的

• 将来の $e^+e^-$ コライダーにおけるトップクォーク系オペレーターがヒッグス粒子および電弱精度測定に与える影響を評価すること。
• 250 GeV の ILC ステージで直接的なトップクォーク生成が行われない場合、ヒッグス／電弱精度データからのトップクォーク結合の間接的制約が、その欠如を補うことができるかどうかを評価すること。
• トップ誘導のレノルマル化群混合の影響を受けるにもかかわらず、すべてのウィルソン係数に対する頑健なグローバル境界が得られるエネルギーの閾値を特定すること。
• SMEFT オペレーター基底を、ヒッグス粒子およびトップクォークオペレーターを含む 29 パラメータに拡張し、一次ループの対数増幅寄与を組み込むこと。
• トップ系の寄与によるヒッグス結合決定の劣化を定量化し、LHC や 500 GeV ILC のデータを用いた緩和戦略を同定すること。

提案手法

• 7つの新しいトップクォークオペレーターをSMEFTオペレーター基底に追加し、ヒッグス、電弱、トップ物理学に影響を与える合計29パラメータが得られる。
• 一次ループにおけるヒッグスとトップクォークオペレーター間の混合効果を捉えるために、レノルマル化群の発展を適用し、特に対数増幅寄与に注目する。
• 国際線形コライダー（ILC）の250 GeVおよび500 GeVでの予想測定値を用いたグローバルフィットを実施し、ヒッグス生成／崩壊断面積、電弱精度観測量、二ボソン過程を含む。
• トップクォーク電弱結合のLHC測定からの外部制約を組み込み、トップ系の劣化を緩和する効果を評価する。
• ヒッグス、電弱、トップ系観測量の統合データセットを用いて、異なるコライダー段階におけるウィルソン係数の感度を評価する。
• フィットの共分散行列を分析し、不確実性と相関を定量化する。特に、トップ系とヒッグス系の相互作用に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップクォーク系オペレーターは、250 GeV の ILC ステージにおけるヒッグス粒子結合の精度をどの程度劣化させるか？
• RQ2 LHC や 500 GeV ILC でのトップクォーク電弱結合の正確な測定が、トップ系の寄与によるヒッグス結合決定の劣化をどの程度回復できるか？
• RQ3 SMEFT フレームワークにおいて、すべてのウィルソン係数に対する頑健なグローバル境界を達成するために必要な最小エネルギー閾値（250 GeV 対 500 GeV）は何か？
• RQ4 ヒッグスとトップクォークオペレーター間のレノルマル化群混合が、新しい物理の源の同定を制限する役割を果たす程度はどの程度か？
• RQ5 250 GeV の ILC で直接的なトップクォーク生成が行われない場合、ヒッグスおよび電弱精度データからトップクォーク結合の間接的制約を抽出できるか？

主な発見

• 250 GeV の ILC ステージにおけるヒッグス粒子結合の決定は、ヒッグスオペレーターとのレノルマル化群混合のため、トップクォークオペレーターの導入によって著しく劣化する。
• この劣化は、LHC からのトップクォーク電弱結合の正確な測定値をグローバルフィットに組み込むことでほぼ完全に回復される。
• トップ誘導の混合効果の主導的影響のため、すべてのウィルソン係数に対する頑健なグローバル境界は、500 GeV ステージのILCが含まれる場合にのみ達成可能である。
• 物理的ヒッグス結合は、トップクォーク質量が電弱過程のエネルギースケールよりも大きいことから、相対的に頑健なままである。
• トップオペレーターがウィルソン係数の境界に与える影響は、ヒッグスオペレーターのそれよりもはるかに顕著であり、標準模型からのずれの原因を特定する能力を制限する可能性がある。
• 500 GeV ILC データの組み込みにより、トップクォーク系オペレーターに対する完全な感度が回復され、250 GeV ステージにおいてもヒッグス／電弱精度測定を通じて間接的なトップ物理学が可能になる。