[論文レビュー] Simulation-based inference in the search for CP violation in leptonic WH production

R. F. Coelho Barrue, P. Conde-Muíño+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 38被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるレプトン的Higgsストラールング（WH）生成におけるCP違反を検出するためのシミュレーションベース推論手法SALLYの感度を評価する。SALLYは検出器レベルの運動量を用いて訓練され、従来のエネルギーおよび角度依存の観測量と比較され、線形ウィルスン係数効果の場合はSALLYが最適であることが示され、二次効果が支配的になると、$p_T^W$と$Q_\ell\cos\delta^+$の2次元組み合わせがSALLYを上回り、300 fb$^{-1}$の統計量において約25%の限界改善が達成される。

ABSTRACT

Sources of CP violation beyond the Standard Model (BSM) are required to explain the baryonic asymmetry of the Universe. In this work, we study BSM CP-violating components in the HWW interaction in WH production, parametrized by an effective dimension-6 CP-odd operator. We explore a machine learning simulation-based inference method that estimates a detector-level optimal observable - SALLY - comparing it with energy-dependent and angular observables, exploring different binnings for their distributions. We show that in regions of phase space where the interference between SM and the effective operator dominates, a SALLY observable leads to optimal limits. In regions where effects of the quadratic term of the effective operator start becoming dominant, such an observable still leads to optimal limits. This work aims to test current multivariate techniques and inform analysis strategies for LHC Run 3 and beyond.

研究の動機と目的

• LHCにおけるレプトン的WH生成におけるCP違反を検出するためのシミュレーションベース推論（SALLY）の感度を評価すること。
• 次元6のCP奇性オペレーターからの線形および二次的寄与を伴う状況において、SALLYの性能を従来の1次元および2次元の運動量観測量（エネルギーおよび角度依存）と比較すること。
• ウィルスン係数の線形および二次的寄与を分離することで、LHCラン3における最適な解析戦略を特定すること。
• 実際の検出器効果、パートンシャワー、およびバックグラウンドモデルを用いた手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 標準模型効果場理論（SMEFT）形式を用い、次元6のCP奇性オペレーター$\tilde{O}_{HW}$を介してCP違反寄与をパラメータ化し、ウィルスン係数$\tilde{c}_{HW}$を用いる。
• SALLYは、パートンレベルの行列要素、断面積、およびそれらの$\tilde{c}_{HW}$に関する勾配を用いて訓練され、検出器効果やパートンシャワー効果を近似せずに、検出器レベルでの最適観測量（スコア）を推定する。
• ニューラルネットワークに検出器レベルの運動量変数を入力とし、損失関数は連合スコア$t(x,z_p) = \nabla_\theta \log p(z_p|\theta)$に基づく。無限データ極限において真の最適観測量に収束する。
• バックグラウンド（例：$t\bar{t}$、$W$+ジェット）は、スミアリングを用いて完全な検出器応答およびパートンシャワー効果を再現し、ジェネレータレベルで選択カットを適用する。
• 線形および二次的寄与を分離するために、線形化および完全な尤度比を用いて除外限界を導出する。
• 統計的解析では、$\mathcal{L} = 300\ \text{fb}^{-1}$における95%信頼区間の限界を用い、エネルギーおよび角度依存変数のビン分割戦略を評価する。

Figure 1 : Feynman diagram for WH associated production in the $\ell\nu b\bar{b}$ final state. The vertex of interest is circled in black.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SALLY手法は、レプトン的WH生成におけるCP違反検出において、従来の1次元および2次元運動量観測量と比較して、どの程度感度に優れているか？
• RQ2 SALLYが最適な領域と、2次元観測量の組み合わせがそれを上回る領域は、それぞれどの相空間領域か？
• RQ3 ウィルスン係数における線形項と二次項の寄与は、異なる観測量の感度にどのように寄与しているか？
• RQ4 エネルギーおよび角度依存観測量の異なるビン分割戦略は、$\tilde{c}_{HW}$への感度にどのように影響するか？
• RQ5 SALLYは、検出器効果やパートンシャワー効果を近似せずに、全イベント運動量を効果的に捉えられるか？

主な発見

• 線形効果が支配的になると、SALLYは$ p_T^W $と$ Q_\ell\cos\delta^+ $の2次元限界を約25%上回り、この領域における最適性が裏付けられる。
• 二次効果が顕著になると、$ p_T^W $と$ Q_\ell\cos\delta^+ $の2次元組み合わせがSALLYを約25%上回り、最もきつい限界を達成する。
• レプトンの電荷で角度観測量を重みづけることで、識別力が向上し、分析全体の感度が向上する。
• SALLY手法は無限データ極限において検出器レベルでの最適観測量に収束し、全運動量情報に基づく訓練により、堅牢性を示す。
• 二次的寄与が支配的になると、SALLYは線形信号成分のみ最適化された設計のため、感度が劣化する。
• 本研究のコードはMadMinerを用いて作成され、GitHubで公開されており、再現性および他のプロセスやオペレーターへの将来的な拡張が可能である。

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