[논문 리뷰] NNLO event generation for $\boldsymbol{pp o Zh o \ell^+\ell^- b \bar b}$ production in the SM effective field theory

Ulrich Haisch, Darren J. Scott외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표준모형 효과론적 양자장이론(SMEFT)에서 $pp \to Zh \to \ell^+\ell^- b\bar{b}$ 생성을 위한 다음 다음 주요순서(NNLO) + 파arton 스프레드(PS) 몬테카를로 이벤트 생성기를 제시한다. 이는 여섯 개의 차원-육의 연장자로부터 유도되는 QCD 보정을 포함하며, 효과적 양이치 및 크로모자기쌍극자 상호작용을 포함한다. 주요 결과는 현재 실험적 제약 조건 하에서 SMEFT 연장자로부터 기인하는 고차수 QCD 효과가 총 단면적에 대해 1퍼센트 미만의 영향을 미친다는 것이다. 또한, 제트 정의에 따라 형태 변화가 발생하기 때문에, 궁극적으로 $m_{b\bar{b}}$ 및 세 제트 질량 $m_{b\bar{b}j}$ 가 SMEFT 효과를 탐지하는 민감한 관측량으로 부각된다.

ABSTRACT

We consider associated $Zh$ production with $Z o \ell^+ \ell^-$ and $h o b \bar b$ decays in hadronic collisions. In the framework of the Standard Model effective field theory (SMEFT) we calculate the QCD corrections to this process and achieve next-to-next-to-leading order plus parton shower (NNLO$+$PS) accuracy using the MiNNLO$_{ m PS}$ method. This precision is obtained for a subset of six SMEFT operators, including the corrections from effective Yukawa- and chromomagnetic dipole-type interactions. Missing higher-order QCD effects associated with the considered dimension-six operators are estimated to have a relative numerical impact of less than a percent on the total rate once existing experimental limits on the relevant Wilson coefficients are taken into account. We provide a dedicated Monte Carlo (MC) code that evaluates the NNLO SMEFT corrections on-the-fly in the event generation. This MC generator is used to study the numerical impact of NNLO$+$PS corrections on the kinematic distributions in $pp o Zh o \ell^+ \ell^- b \bar b$ production employing simple SMEFT benchmark scenarios. We identify the invariant mass $m_{b \bar b}$ of the two $b$-tagged jets as well as the three-invariant jet mass $m_{b \bar b j}$ as particularly interesting observables to study SMEFT effects. These distributions receive contributions that change both their normalisation and shape with the latter modifications depending on the exact jet definition. To our knowledge SMEFT effects of this type have so far not been discussed in the literature. The presented MC generator can also serve as a starting point to obtain NNLO$+$PS accuracy for a suitable enlarged set of effective operators in the future.

연구 동기 및 목표

• SMEFT에서 $pp \to Zh \to \ell^+\ell^- b\bar{b}$ 생성에 대해 NNLO + 파톤 스프레드 정확도를 달성하고, 관련된 차원-육의 연장자로부터 기인하는 QCD 보정을 포함한다.
• SMEFT 연장자로부터 기인하는 고차수 QCD 보정의 수치적 영향이 분포에 미치는 영향을 분석하며, 특히 새로운 물리학에 민감한 운동량 관측량에 초점을 맞춘다.
• 정밀 현상학을 위해 이벤트 생성 과정 중에 NNLO SMEFT 보정을 실시간으로 평가하는 전용 몬테카를로 생성기를 개발한다.
• 정규화 및 형태 변화를 통해 SMEFT 효과에 민감한 관측량을 식별하고 분석하며, 특히 제트 정의에 따라 달라지는 관측량에 초점을 맞춘다.

제안 방법

• SMEFT 내에서 $pp \to Zh \to \ell^+\ell^- b\bar{b}$ 에 대해 NNLO + PS 정확도를 달성하기 위해 MiNNLO PS 방법을 사용한다.
• 계산에는 효과적 양이치 및 크로모자기쌍극자 유형 상호작용에 기여하는 여섯 개의 차원-육 SMEFT 연장자가 포함된다.
• SMEFT 보정은 이벤트 생성 과정 중에 NNLO 보정을 실시간으로 계산하는 몬테카를로 생성기에 구현되어, 완전히 미분 가능한 예측이 가능하다.
• 생성기는 벤치마크 SMEFT 시나리오를 사용하여 NNLO + PS 보정이 운동량 분포에 미치는 영향을 연구하는 데 사용된다.
• 기존 실험적 제약 조건을 이용해 누락된 고차수 QCD 효과의 이론적 추정을 수행하여 상대적인 수치적 영향을 제한한다.
• 분석은 $b$-태그된 제트의 관측량인 $m_{b\bar{b}}$ 와 세 제트 질량인 $m_{b\bar{b}j}$ 를 SMEFT 민감도에 핵심 관측량으로 집중적으로 다룬다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SMEFT 연장자로부터 기인하는 NNLO QCD 보정이 $pp \to Zh \to \ell^+\ell^- b\bar{b}$ 생성의 총 단면적과 미분 분포에 미치는 수치적 영향은 무엇인가?
• RQ2 SMEFT 효과는 $m_{b\bar{b}}$ 와 $m_{b\bar{b}j}$ 의 관측량 형태를 어떻게 변화시키며, 이는 제트 정의에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 현재 Wilson 계수에 대한 실험적 제약 조건 하에서, SMEFT 연장자로부터 기인하는 고차수 QCD 보정은 정밀 SMEFT 분석에서 무시해도 되는가?
• RQ4 $m_{b\bar{b}}$ 와 $m_{b\bar{b}j}$ 분포는 SMEFT의 맥락에서 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐지하는 민감한 탐지수단이 될 수 있는가?
• RQ5 효과적 양이치 및 크로모자기쌍극자 유형 상호작용은 NNLO + PS 정확도에서 분포의 형태를 어떻게 결정하는가?

주요 결과

• 기존 실험적 제약 조건을 적용할 경우, 고려된 SMEFT 연장자로부터 기인하는 누락된 고차수 QCD 보정의 상대적 수치적 영향은 총 단면적에 대해 1퍼센트 미만이다.
• 두 개의 $b$-태그된 제트의 관측량인 $m_{b\bar{b}}$ 는 정규화 및 형태 변화를 모두 유도하는 SMEFT 효과로 인해 특히 민감한 관측량으로 확인되었다.
• 세 제트 질량인 $m_{b\bar{b}j}$ 도 특정 제트 정의에 따라 형태 변화를 보이며, 이는 SMEFT 문헌에서 이전에 다뤄지지 않은 특성이다.
• $m_{b\bar{b}}$ 와 $m_{b\bar{b}j}$ 분포는 정규화 및 형태 보정을 모두 받으며, 후자는 제트 재구성 세부 사항에 민감하다.
• $Q_{3G}$ 연장자로부터 기인하는 N³LO 보정은 $h \to b\bar{b}$ 붕괴 폭에 1퍼밀 미만의 기여를 하므로 분석에서 무시할 수 있다.
• $Q_{HG}$ 연장자로부터 기인하는 N³LO 보정은 95% 신뢰수준에서 포함 단면적 $pp \to Zh$ 에 대해 0.3% 이하의 기여를 하므로, 영향이 무시할 만하다는 것이 확인되었다.