[論文レビュー] Probing top quark neutral couplings in the Standard Model Effective Field Theory at NLO QCD

O. Bessidskaia Bylund, Fabio Maltoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 30

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるトップクォーク対とZボソンまたは光子の連成生成に関する標準模型効果的場理論（SMEFT）における次-leading-order（NLO）QCD補正を提示する。CP偶性の次元6オペレーターをすべて含み、全断面積および微分断面積について高精度な予測を提供する。NLO補正を部分素因数化シュミレーションにマッチさせたイベントサンプルを提供し、実験的解析に直接利用可能となる。これにより、標準模型を超える新しい物理の感度が著しく向上する。

ABSTRACT

Top quark pair production in association with a $Z$-boson or a photon at the LHC directly probes neutral top-quark couplings. We present predictions for these two processes in the Standard Model (SM) Effective Field Theory (EFT) at next-to-leading (NLO) order in QCD. We include the full set of CP-even dimension-six operators that enter the top-quark interactions with the SM gauge bosons. For comparison, we also present predictions in the SMEFT for top loop-induced $HZ$ production at the LHC and for $t\bar{t}$ production at the ILC at NLO in QCD. Results for total cross sections and differential distributions are obtained and uncertainties coming from missing higher orders in the strong coupling and in the EFT expansions are discussed. NLO results matched to the parton shower are available, allowing for event generation to be directly employed in an experimental analyses. Our framework provides a solid basis for the interpretation of current and future measurements in the SMEFT, with improved accuracy and precision.

研究の動機と目的

• LHCにおけるトップクォーク対とZボソンまたは光子の連成生成に関するSMEFTフレームワーク内での正確なNLO QCD予測を提供すること。
• トップクォークと標準模型ゲージボソンのカップリングに影響を与えるCP偶性の次元6オペレーターの完全なセットを含めること。
• NLO予測を部分素因数化シュミレーションにマッチさせ、イベントレベル解析のための実験データとの直接比較を可能にすること。
• SMEFTにおける高次のQCDおよびEFT展開の欠落による理論的不確実性を評価すること。
• 比較的感度分析のため、トップクォークループ誘導型HZ生成およびILCにおける$e^+e^-$ $t\bar{t}$生成へのフレームワークの拡張を行うこと。

提案手法

• MadGraph5_aMC@NLOフレームワークを用いて、$pp \to t\bar{t}Z$、$pp \to t\bar{t}\gamma$、$gg \to HZ$、および$e^+e^- \to t\bar{t}$過程におけるSMEFTにおけるNLO QCD補正を計算する。
• トップクォークと標準模型ゲージボソンに関係するすべての関連するCP偶性の次元6オペレーターを含める。代表例として$\mathcal{O}_{\varphi Q}^{(1,3)}$、$\mathcal{O}_{\varphi t}$、$\mathcal{O}_{tW}$、$\mathcal{O}_{tB}$を挙げる。
• NLO結果を部分素因数化シュミレーションにマッチさせ、実験的利用を想定した完全な微分イベントサンプルを生成する。
• 有効オペレーターのウィルソン係数を用いて標準模型からのずれをパラメトライズし、EFTマッチングにより異常カップリングと関連付ける。
• ATLASおよびCMSの測定と整合する実験的カットおよび運動量的選択条件（$m_{\ell\ell} > 10$ GeVおよび$p_T(\gamma) > 20$ GeVを含む）を適用する。
• 特にグルーオン磁気モーメントオペレーターの不確実性を含め、スケール変動およびEFT展開の截断による不確実性を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMEFTにおけるLHCにおける$t\bar{t}Z$および$t\bar{t}\gamma$生成の全断面積および微分断面積に、NLO QCD補正がどのように影響するか？
• RQ2 グルーオン磁気モーメントオペレーターが$t\bar{t}Z$および$t\bar{t}\gamma$過程に与える影響は何か？なぜその包含が重要であるか？
• RQ3 SMEFT予測における$t\bar{t}Z$および$t\bar{t}\gamma$生成は、特に正規化された断面積比の観点から、既存のLHC測定とどのように一致するか？
• RQ4 ILCにおける$t\bar{t}$生成およびトップクォークループ誘導型HZ生成は、トップクォーク中性カップリングの補完的プローブとしてどの程度有効か？
• RQ5 高次のQCDおよびEFT展開の欠落による理論的不確実性は、これらの過程におけるSMEFTシグナルの解釈にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 本稿は、LHCにおける$pp \to t\bar{t}\gamma$生成について、初のNLO QCD予測を提示する。$p_T(\gamma) > 20$ GeVの条件での標準模型断面積は$604.0(3)^{+234.1}_{-154.8}$ fbである。
• $t\bar{t}Z$生成に関しては、標準模型断面積が$226.5(6)^{+15.1}_{-25.3}$ fbであり、$Z \to \ell^+\ell^-$の分岐比を含めた$\sigma_{\text{ATLAS}}^{\text{SM}}(t\bar{t}Z) = 238.1(6)^{+16.6}_{-26.8}$ fbとなる。
• 13 TeVでの比$R^{t\bar{t}Z}_{\text{ATLAS}} = 0.0413(1)^{+0.0003}_{-0.0001}$が計算され、ATLAS測定と直接比較可能となる。
• 13 TeVでの比$R^{t\bar{t}\gamma}_{\text{CMS}} = 0.4531(4)^{+0.0015}_{-0.0011}$が提供され、CMSの$t\bar{t}\gamma$データと比較可能となる。
• グルーオン磁気モーメントオペレーター（$\mathcal{O}_{tW}, \mathcal{O}_{tB}$）は、$t\bar{t}Z$および$t\bar{t}\gamma$両過程に対して顕著な寄与を示す。
• NLOマッチド部分素因数化シュミレーションイベントが生成され、公開され、実験的解析に直接利用可能となり、EFTシグナルに対する感度が向上する。