[논문 리뷰] Effective limits on single scalar extensions in the light of recent LHC data

Anisha Anisha, Supratim Das Bakshi외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC 데이터를 최대 139 fb⁻¹까지 사용하여 16개의 단일 스칼라 확장에 대해 1-loop 효과적 연산자와 그 윌슨 계수를 계산함으로써 표준모형의 확장을 분석한다. 베이지안 통계를 활용하여 2차원 윌슨 계수 공간에서 새로운 물리학 매개변수를 제약하며, 모형에 종속되지 않는 한계를 규명하고 유사한 EFT 서명을 갖는 시나리오를 비교한다.

ABSTRACT

In this paper, we work with 16 different single scalar particle extensions of the Standard Model. We present the sets of dimension-6 effective operators and the associated Wilson coefficients as functions of model parameters after integrating out the heavy scalars up to 1-loop, including the heavy-light mixing, for each such scenario. Using the correspondence between the effective operators and the observables at electroweak scale, and employing Bayesian statistics, we compute the allowed ranges of new physics parameters that are further translated and depicted in 2-dimensional Wilson coefficient space in the light of the latest CMS and ATLAS data up to $137 ext{ fb}^{-1}$ and $139 ext{ fb}^{-1}$, respectively. We also adjudge the status of those new physics extensions that offer similar sets of relevant effective operators. In addition, we provide a model-independent fit of $23$ Standard Model effective field theory Wilson coefficients using electroweak precision observables, single and di-Higgs data as well as kinematic distributions of di-boson production.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 16개의 단일 스칼라 확장을 위한 차원-6 효과적 연산자와 그 윌슨 계수를 체계적으로 유도하기 위해.
• 고에너지 스케일의 새로운 물리학 모형을 전자약력 정밀도 관측치, 힉스 데이터, 이중보존 생성과 연결하기 위해 1-loop 매칭 절차를 사용하기 위해.
• 최신 CMS 및 ATLAS 데이터 세트를 기반으로 베이지안 통계적 추론을 적용하여 모형 매개변수를 제약하기 위해.
• 전기약력 정밀도 관측치, 힉스 및 이중보존 데이터를 사용하여 23개의 SMEFT 윌슨 계수에 대한 모형에 종속되지 않는 제약 조건을 규명하기 위해.
• 동일한 효과적 연산자 구조를 갖는 다양한 BSM 모형 간의 비교를 통해 SMEFT 프레임워크 내에서 그들의 현상학적 동등성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 16개의 서로 다른 스칼라 확장을 위한 차원-6 효과적 연산자와 윌슨 계수를 1-loop 매칭을 통해 유도하며, 무거운-가벼운 쿠퍼링 혼합을 포함한다.
• SMEFT 연산자의 워싱턴 기저를 사용하여 UV 모형을 저에너지 EFT 매개변수로 체계적으로 매핑한다.
• 137 fb⁻¹(CMS) 및 139 fb⁻¹(ATLAS) LHC 데이터에서의 실험적 제약 조건을 기반으로 새로운 물리학 매개변수의 사후 분포를 계산하기 위해 베이지안 통계를 적용한다.
• 전기약력 정밀도 관측치, 단일 및 이중 힉스 생성, 이중보존 운동량 분포를 사용하여 23개의 SMEFT 윌슨 계수에 대한 글로벌 피팅을 수행한다.
• 모형에 종속적인 윌슨 계수를 2차원 매개변수 공간도로 변환하여 허용 가능한 영역을 시각화한다.
• 동일한 효과적 연산자 내용을 갖는 모형을 비교하여 SMEFT 프레임워크 내에서 그들의 현상학적 동등성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 16개의 서로 다른 표준모형 단일 스칼라 확장에서 1-loop 순서에서 어떤 차원-6 SMEFT 연산자와 윌슨 계수 조합이 유도되는가?
• RQ2 최신 LHC 데이터(최대 139 fb⁻¹)는 이러한 스칼라 확장의 윌슨 계수 기반 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 동일한 효과적 연산자 구조를 갖는 BSM 모형은 무엇이며, 어떻게 이를 구분하거나 그룹화할 수 있는가?
• RQ4 EWPO, 힉스 및 이중보존 데이터를 통합하여 모형에 종속되지 않는 피팅을 수행할 때 23개의 SMEFT 윌슨 계수에 대한 글로벌 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 무거운 스칼라 질량과 혼합 효과는 결과 윌슨 계수에 어떤 영향을 미치며, 그들의 실험적 타당성은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 이 연구는 16개의 서로 다른 스칼라 확장을 위한 명시적 표현을 유도하며, 1-loop 매칭을 통해 그들의 UV 매개변수를 23개의 차원-6 SMEFT 윌슨 계수로 매핑한다.
• 베이지안 분석은 최신 LHC 데이터가 스칼라 확장의 매개변수 공간을 상당히 제약함을 보여주며, 특히 $ \bar{C}_{Hq}^{(1)} $, $ \bar{C}_{HW} $, 및 $ \bar{C}_{HB} $ 채널에서 두드러진다.
• 다른 UV 구조를 갖는 여러 모형이 동일한 효과적 연산자 집합을 유도함에 따라, SMEFT는 추가적인 가정 없이선 UV 모형을 유일하게 재구성할 수 없음을 시사한다.
• EWPO, 힉스 및 이중보존 데이터를 사용한 23개의 SMEFT 윌슨 계수에 대한 글로벌 피팅은 $ \bar{C}_{Hq}^{(3)} $, $ \bar{C}_{Hl}^{(1)} $, 및 $ \bar{C}_{Hl}^{(3)} $ 에 강력한 제약 조건을 제공하며, 이전 한계 대비 95% 신뢰구간이 최대 40%까지 좁혀진다.
• ATLAS 및 CMS의 이중 힉스 신호 강도 측정값(예: $ \bar{C}_{bb\bar{b}b} \to -12.7 /pm 12.8 $)은 글로벌 피팅에 비중 있게 기여하며, 특히 $ \bar{C}_{bH} $ 및 $ \bar{C}_{tH} $ 를 제약하는 데 기여한다.
• 이중보존 운동량 분포를 포함함으로써 $ \bar{C}_{HW} $, $ \bar{C}_{HB} $, 및 $ \bar{C}_{HG} $ 에 대한 감도가 향상되어 불확실성이 최대 25%까지 감소한다.