[論文レビュー] The Standard Model effective field theory at work

Gino Isidori, Felix Wilsch+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、電弱スケールより高いエネルギースケールにおける新しい物理を体系的かつ一貫した枠組みで探求するための標準模型効果的場理論（SMEFT）の包括的レビューを提示する。SMEFTの構築、特に演算子基底の選択、一致手続き、およびランゲル・グルーピング（RG）の進化について詳述し、低エネルギーおよび高-pTの素粒子物理学への応用を具体的な例を用いて示している。

ABSTRACT

The striking success of the Standard Model in explaining precision data and, at the same time, its lack of explanations for various fundamental phenomena, such as dark matter or the baryon asymmetry of the universe, suggests new physics at an energy scale much larger than the electroweak scale. In the absence of a short-range-long-range conspiracy, the Standard Model can be viewed as the leading term of an effective "remnant" theory (referred to as the SMEFT) of a more fundamental structure. Over the last years, many aspects of the SMEFT have been investigated and it has become a standard tool to analyze experimental results in an integral way. In this article, after briefly presenting the salient features of the Standard Model, we review the construction of the SMEFT. We discuss the range of its applicability and bounds on its coefficients imposed by general theoretical considerations. Since new physics models are likely to exhibit exact or approximate accidental global symmetries, especially in the flavor sector, we also discuss their implications for the SMEFT. The main focus of our review is the phenomenological analysis of experimental results. We show explicitly how to use various effective field theories to study the phenomenology of theories beyond the Standard Model. We give a detailed description of the matching procedure and the use of the renormalization group equations, allowing to connect multiple effective theories valid at different energy scales. Explicit examples from low-energy experiments and from high-$p_T$ physics illustrate the workflow. We also comment on the non-linear realization of the electroweak symmetry breaking and its phenomenological implications.

研究の動機と目的

• 電弱スケールより高いエネルギースケールにおける新しい物理を記述するための体系的かつ一貫した枠組みとしてSMEFTを確立すること。
• SMEFTの演算子基底の構築、特にワルサウ・ベースと臨界的演算子の取り扱いを明確にすること。
• SMEFT係数に課される理論的制約、たとえばユニタリ性、正定性、ゲージ異常キャンセレーションの分析。
• UV完全なBSMモデルをSMEFTに一致させ、異なるエネルギースケールを結ぶためにランゲル・グルーピング方程式を用いることの実践的応用。
• 低エネルギーおよび高-pT実験におけるSMEFTの素粒子物理学的応用の具体例、特にグローバルフィットとDrell-Yanテイルの解析。

提案手法

• SMEFTにおける高次次元演算子の非冗長な集合を構築するためのワルサウ・ベースの使用により、完全性と最小性を保証する。
• D次元におけるγ₅の取り扱いに半素朴次元正則化（NDR）スキームを用いた次元正則化の適用、トレースの曖昧性を一貫して扱う。
• 領域の方法を用いてUVとIRの発散を分離し、EFTの自動的正則化とRG方程式の導出を容易にする。
• 図式的および関数的一致手法を用いて、UVモデルと弱スケールにおけるSMEFTを結ぶ。
• ランゲル・グルーピング方程式を用いて、弱スケールから低エネルギーへとSMEFT係数を進化させ、低エネルギー効果的理論（LEFT）と接続する。
• ヒッグス効果的場理論（HEFT）による電弱対称性の破れの非線形実現と、スカラー部の幾何的定式化の分析。

Figure 1: Pulls of the electroweak observables as obtained by a global SM fit, namely differences between SM predictions and direct measurements, normalized to the experimental uncertainties. From [ 218 ] see also [ 217 ] .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMEFTは、新しい物理のスケール未満で有効な効果的場理論として、どのように体系的に構築できるか？
• RQ2 ユニタリ性、正定性、ゲージ異常など、SMEFTウィルソン係数の許容値を制限する理論的制約は何か？
• RQ3 フラバー対称性やカスティドル対称性といった偶然のグローバル対称性は、SMEFTの演算子およびそのランゲル・グルーピングにどのように制限を加えるか？
• RQ4 UVのBSMモデルをSMEFTに一致させる正しい手順は何か？ そして、その結果得られるSMEFTはどのようにランゲル・グルーピング方程式で進化させるか？
• RQ5 SMEFTは、低エネルギー過程および高-pT加速器探索の実験データを解釈するためにどのように利用できるか？ とりわけグローバルフィットの文脈で。

主な発見

• ワルサウ・ベースにおけるSMEFTは、電弱スケールより高いエネルギースケールにおける新しい物理を記述する非冗長で完全かつゲージ不変な枠組みを提供する。
• 領域の方法により、UVとIRの発散が明確に分離され、EFTの自動的正則化が保証され、RG方程式の導出が簡素化される。
• 臨界的演算子はRG進化および物理的振幅に寄与し、その効果は領域の方法におけるUV領域に完全に符号化されている。
• 次元正則化におけるγ₅のNDRスキームは、本レビューの目的には十分であるが、奇数個のγ₅行列を含むトレースにおいて読解ポイントの曖昧性を引き起こす。
• 図式的および関数的手法によるBSMモデルからSMEFTへの一致により、UV理論と低エネルギー観測量との間の一貫した接続が可能になる。
• Drell-Yanテイルにおける高-pTでのSMEFTを用いたグローバルフィットは、標準模型を超える新しい物理に感度を示し、実験データからSMEFT係数の制約が導かれる。

Figure 3: The Feynman diagram on the left-hand side shows a process in the UV theory generating the effective four-fermion operator shown on the right-hand side. The solid lines represent SM fermions, whereas the dashed line denotes a heavy bosons (either vector or scalar).