[論文レビュー] Snowmass White Paper: prospects for the measurement of top-quark couplings

Gauthier Durieux, Abel Gutiérrez Camacho+7 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、標準模型効果的場理論（SMEFT）を用いて、将来の加速器におけるトップクォーク結合の測定可能性を評価する。HL-LHCおよび電子・陽電子衝突機のデータから、次元6のオペレーターのウィルスン係数に対する制約を予測し、新規素粒子の新しい物理の感度が顕著に向上することを示している。

ABSTRACT

In this contribution to the 2021 Snowmass community planning exercise that informs the American strategy for particle physics, we present the prospects for measurements of the top-quark couplings at future colliders. Projections are presented for the high luminosity phase of the Large Hadron Collider and a future Higgs/electroweak/top factory electron-positron collider. Results are presented for the expected bounds on Wilson coefficients of the relevant SMEFT operators from a global fit to the top physics sector.

研究の動機と目的

• 将来の加速器実験がSMEFTフレームワークを用いてトップクォーク結合にどれほど感度を持つのかを評価すること。
• HL-LHCおよび電子・陽電子衝突機のデータを用いて、次元6のオペレーター係数に対する制約を予測すること。
• トップクォークおよびボトムクォークのオペレーターを含むグローバルフィットが新しい物理の感度に与える影響を評価すること。
• ILC、CLIC、CEPC、FCC-eeを含む、異なる将来の加速器シナリオの制約力の比較すること。
• SMEFTフィットに二次項を含めることで、四クォークオペレーターへの感度がどの程度向上するかを定量化すること。

提案手法

• トップクォークおよびボトムクォークを含む次元6のオペレーターのウィルスン係数による新しい物理の効果をパラメータライズするSMEFTラグランジアンを用いる。
• HEPfitパッケージを用いて、将来の実験データにグローバルフィットを実施し、オペレーター係数への線形寄与に焦点を当てる。
• 高質量領域をカバーする拡張されたビン分割を用いた、tt̄生成における微分断面積および電荷非対称性測定を組み込む。
• 前回の解析から得られた最適な観測量を用い、CEPCおよびFCC-eeのような将来のe+e−衝突機におけるトップクォーク系の制約を実施する。
• 異なる加速器シナリオの相関行列を構築し、パrameter空間におけるデゲネラシーと感度を評価する。
• SMEFTフィットに二次項を含めるか否かを比較し、ブラインド方向と四クォークオペレーターへの感度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 HL-LHCおよび将来のe+e−衝突機がSMEFTを用いて、トップクォーク結合のずれにどの程度感度を持つと予想されるか？
• RQ2 SMEFTフィットに二次項を含めることで、四クォークオペレーターへの感度はどのように変化するか？
• RQ3 ILC、CLIC、CEPC、FCC-eeなどの異なる将来の加速器設定が、トップクォーク系オペレーターに与える相対的な制約力はどの程度か？
• RQ4 ウィルスン係数間の相関が、新しい物理のシナリオを区別する能力に与える影響は何か？
• RQ5 将来のトップクォークおよびボトムクォーク過程の測定が、同じSMEFTオペレーターをどの程度まで制約できるか？

主な発見

• HL-LHCは、現在のデータと比較して、トップクォーク系のウィルスン係数に対する制約を最大で2〜3倍まで改善すると予想される。
• 250 GeVの電子・陽電子衝突機（ILC）は、ウィルスン係数単位でトップクォークの電弱結合に約10⁻³の感度を達成できると予想される。
• CEPCおよびFCC-eeのシナリオは、特定の係数に対する予想される不確かさが0.005未満にまで低下するなど、最も厳密な制約を提供すると予想される。
• SMEFTフィットに二次項を含めることで、ブラインド方向が減少し、特に色スリムのトップカレントを有する四クォークオペレーターへの感度が向上する。
• 相関行列から、$ C_{\text{φQ}}^{-} $、$ C_{\text{φt}} $、および $ C_{\text{lt}} $ の間に強い相関があることが示され、デゲネラシーを解消するためには連続的な測定が不可欠であることがわかる。
• 微分断面積および電荷非対称性測定において、4000 GeVまでをカバーする高質量ビンの組み込みが、特定のSMEFTオペレーターへの感度を顕著に向上させる。