[論文レビュー] Monte Carlo tools for studies of non-standard electroweak gauge boson interactions in multi-boson processes: A Snowmass White Paper

Céline Degrande, O. J. P. Éboli+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 25

ひとこと要約

このSnowmass 2013白書は、次元6および次元8の演算子を用いた効果的場理論（EFT）を用いて、LHCにおける多ボソン過程における非標準的電弱相互作用をシミュレートするためのモンテカルロツール—MadGraph5、VBFNLO、WHIZARD—の包括的な比較を提示している。異常カップリングの実装におけるプログラム間の一貫性が確立され、統合的および微分的断面積において1パーセント未満の一致が確認された。これは、標準模型を超えた電弱対称性の spontaneously broken 構造の精密な研究に、これらのツールが有効であることを裏付けている。

ABSTRACT

In this Snowmass 2013 white paper, we review the effective field theory approach for studies of non-standard electroweak interactions in electroweak vector boson pair and triple production and vector boson scattering. We present an overview of the implementation of dimension six and eight operators in MadGraph5, VBFNLO, and WHIZARD, and provide relations between the coefficients of these higher dimensions operators used in these programs and in the anomalous couplings approach. We perform a tuned comparison of predictions for multi-boson processes including non-standard electroweak interactions with MadGraph5, VBFNLO, and WHIZARD. We discuss the role of higher-order corrections in these predictions using VBFNLO and a POWHEG BOX implementation of higher-order QCD corrections to WWjj production. The purpose of this white paper is to collect useful tools for the study of non-standard EW physics at the LHC, compare them, and study the main physics issues in the relevant processes.

研究の動機と目的

• 次元6および次元8の演算子を用いた効果的場理論（EFT）を用いて、多ボソン過程における非標準的電弱相互作用を統一的フレームワークで研究すること。
• 主なモンテカルロツール（MadGraph5、VBFNLO、WHIZARD）間での異常カップリングおよび高次元演算子の実装を比較すること。
• 特に非標準的カップリング下での三ボソンおよびベクトルボソン散乱過程の予測の一貫性を検証すること。
• 高次のQCDおよび電弱補正が、新しい物理に敏感な観測量に与える影響を評価すること。
• 非標準模型電弱物理学のための信頼性が高く、相互に検証されたツールキットを提供することで、将来のLHCおよび高エネルギー衝突実験を支援すること。

提案手法

• 電弱系における次元6および次元8の演算子を用いて、非標準的相互作用を記述するための効果的場理論（EFT）の形式的取り扱いを適用する。
• EFTの演算子係数とLEPの分析で用いられる異常カップリングアプローチとの関係を明示的に導出し、互いに検証する。
• 同一の規約を用いて、MadGraph5、VBFNLO、WHIZARDにおける次元6および次元8の演算子の実装を体系的に比較する。
• 主要な過程である $pp \to W^+W^+jj$、$pp \to e^+\nu_e\gamma\gamma$、および $W^{+}\gamma\gamma$ 生産における微分的および統合的断面積を計算する。
• VBFNLO（QCD補正）およびPOWHEG BOX（$WWjj$へのQCD補正）を用いて高次の補正を評価し、精密な比較を可能にする。
• 同一の物理的入力および異常カップリング値を用いたコード間の統計的検証を実施し、乖離はすべて統計的フラクチュエーションに起因するとする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EFTに次元6および次元8の演算子を用いた場合、非標準的カップリングを伴う多ボソン生成の予測が、MadGraph5、VBFNLO、WHIZARDの間でどの程度一致するか？
• RQ2 LEPの慣習で用いられる異常カップリングパラメータとEFTの演算子係数との間のマッピングの一貫性はいかがなものか？
• RQ3 高次のQCD補正は、$WWjj$および三ボソン過程における非標準的四重ゲージカップリングへの感度にどのように影響するか？
• RQ4 微分的分布（例：$m_{jj}$、$m_{\ell\ell}$）が異常カップリングの下で、3つのモンテカルロジェネレータ間でどの程度一致するか？
• RQ5 高次元演算子の実装に一貫性のない系統的乖離が予測に現れる可能性はあるか？

主な発見

• $pp \to W^+W^+jj$ および $pp \to e^+\nu_e\gamma\gamma$ の統合的断面積は、MadGraph5、VBFNLO、WHIZARDの間で1パーセント未満の一致を示し、統計的不確実性の範囲内に収まっている。
• 異常カップリング $M2$ を持つ $pp \to e^+\nu_e\gamma\gamma$ において、統合的断面積はVBFNLOで $1.8172(5)$ fb、MadGraph5で $1.8012(8)$ fbであり、差は0.9%未満にとどまる。
• $m_{jj}$ および $m_{\ell\ell}$ の微分的分布は、3つのコード間で優れた一致を示し、系統的ずれは観測されない。乖離は統計的フラクチュエーションと一致する。
• $m_{\ell\ell}$ 分布は、異常カップリング下で高インバリアント質量領域で顕著に上昇するが、$m_{jj}$ はほとんど変化しない。これは $WW$ とレプトン対質量の直接的な関係を反映している。
• POWHEG BOXが実装した $WWjj$ 生産への高次のQCD補正は、VBFNLOと一貫した振る舞いを示し、非標準模型研究における高次補正の信頼性を確認している。
• 本研究は、3つのモンテカルロツールがLHCにおける非標準的電弱相互作用を研究するための一貫性があり信頼できるフレームワークを提供していることを確認した。これにより、実験およびモデル間の堅実な比較が可能になる。