[논문 리뷰] Probing top quark neutral couplings in the Standard Model Effective Field Theory at NLO QCD

O. Bessidskaia Bylund, Fabio Maltoni외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 34인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 Z 보손 또는 광자와 함께 토프 쿼크 쌍 생성 과정에 대해 표준모형 효과론적 양자장이론(SMEFT) 프레임워크 내에서 다음 최고순서(NLO) QCD 보정을 제시한다. 이는 모든 관련 CP-짝성 차원-6 연산자를 포함하며, 총 단면적 및 미분 단면적에 대한 정밀 예측을 제공한다. NLO에 보정된 파arton 슈머 이벤트는 직접적인 실험 분석을 가능하게 하며, 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상 탐지에 있어 감도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Top quark pair production in association with a $Z$-boson or a photon at the LHC directly probes neutral top-quark couplings. We present predictions for these two processes in the Standard Model (SM) Effective Field Theory (EFT) at next-to-leading (NLO) order in QCD. We include the full set of CP-even dimension-six operators that enter the top-quark interactions with the SM gauge bosons. For comparison, we also present predictions in the SMEFT for top loop-induced $HZ$ production at the LHC and for $t\bar{t}$ production at the ILC at NLO in QCD. Results for total cross sections and differential distributions are obtained and uncertainties coming from missing higher orders in the strong coupling and in the EFT expansions are discussed. NLO results matched to the parton shower are available, allowing for event generation to be directly employed in an experimental analyses. Our framework provides a solid basis for the interpretation of current and future measurements in the SMEFT, with improved accuracy and precision.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 효과론적 양자장이론(SMEFT) 프레임워크 내에서 LHC에서 Z 보손 또는 광자와 함께 토프 쿼크 쌍 생성에 대한 정확한 NLO QCD 예측을 제공하는 것.
• 토프 쿼크가 표준모형 게이지 보손과 상호작용하는 데 영향을 주는 모든 CP-짝성 차원-6 연산자 집합을 포함하는 것.
• 이벤트 수준 분석을 위한 NLO 예측을 파톤 슈머에 매칭시켜 실험 데이터와 직접 비교할 수 있도록 하는 것.
• SMEFT 내에서 고차수 QCD 및 EFT 전개의 누락된 항들로 인한 이론적 불확도를 평가하는 것.
• 비교 감도 분석을 위해 ILC에서의 전자-양전자 $e^+e^-$ $t\bar{t}$ 생성 및 토프 쿼크 루프 유도 $HZ$ 생성을 포함한 프레임워크 확장

제안 방법

• NLO QCD 보정을 계산하기 위해 MadGraph5_aMC@NLO 프레임워크를 사용하여 $pp \to t\bar{t}Z$, $pp \to t\bar{t}\gamma$, $gg \to HZ$, 및 $e^+e^- \to t\bar{t}$ 반응을 다룸.
• 토프 쿼크와 표준모형 게이지 보손에 관여하는 모든 관련된 CP-짝성 차원-6 연산자, 예를 들어 $\mathcal{O}_{\varphi Q}^{(1,3)}$, $\mathcal{O}_{\varphi t}$, $\mathcal{O}_{tW}$, 및 $\mathcal{O}_{tB}$ 를 포함.
• NLO 결과를 파톤 슈머 시뮬레이션에 매칭하여 실험적 활용을 위한 완전한 미분 이벤트 샘플을 생성.
• 효과 연산자의 윌슨 계수를 사용하여 표준모형에서의 편차를 기술하고, EFT 매칭을 통해 이들 계수를 비정상적 상호작용 계수와 연결.
• ATLAS 및 CMS 측정치와 일치하는 실험적 절단 조건과 운동량 선택 조건을 적용하여, 예를 들어 $m_{\ell\ell} > 10$ GeV 및 $p_T(\gamma) > 20$ GeV를 포함.
• 스케일 변화 및 EFT 전개의 절단 오차로 인한 불확도를 정량화하며, 특히 크로모자기 이형모멘트 연산자에 대해 집중.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SMEFT 내에서 LHC에서 $t\bar{t}Z$ 및 $t\bar{t}\gamma$ 생성에 대한 NLO QCD 보정은 총 단면적 및 미분 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 크로모자기 이형모멘트 연산자가 $t\bar{t}Z$ 및 $t\bar{t}\gamma$ 과정에 미치는 영향은 무엇이며, 그 포함이 왜 필수적인가?
• RQ3 SMEFT 예측이 기존 LHC 측정치와 비교할 때, 특히 정규화된 단면적 비율 측면에서 어떻게 일치하는가?
• RQ4 $t\bar{t}$ 생성이 ILC에서와 토프 쿼크 루프 유도 $HZ$ 생성이 토프 쿼크 중성 상호작용 측정에 어떻게 상호보완적인 역할을 하는가?
• RQ5 누락된 고차수 QCD 및 EFT 전개로 인한 이론적 불확도는 이러한 과정에서 SMEFT 신호의 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이 논문은 LHC에서 $pp \to t\bar{t}\gamma$에 대한 최초의 NLO QCD 예측을 제시하며, $p_T(\gamma) > 20$ GeV 조건에서 표준모형 단면적은 $604.0(3)^{+234.1}_{-154.8}$ fb이다.
• For $t\bar{t}Z$ 생성의 경우, 표준모형 단면적은 $226.5(6)^{+15.1}_{-25.3}$ fb이며, $Z \to \ell^+\ell^-$ 분해비를 포함한 $\sigma_{\text{ATLAS}}^{\text{SM}}(t\bar{t}Z) = 238.1(6)^{+16.6}_{-26.8}$ fb이다.
• 13 TeV에서 $R^{t\bar{t}Z}_{\text{ATLAS}} = 0.0413(1)^{+0.0003}_{-0.0001}$ 가 계산되어 ATLAS 측정치와 직접 비교할 수 있다.
• 13 TeV에서 $R^{t\bar{t}\gamma}_{\text{CMS}} = 0.4531(4)^{+0.0015}_{-0.0011}$ 이 제공되어 CMS의 $t\bar{t}\gamma$ 데이터와 비교할 수 있다.
• 크로모자기 이형모멘트 연산자 ($\mathcal{O}_{tW}, \mathcal{O}_{tB}$) 는 $t\bar{t}Z$ 및 $t\bar{t}\gamma$ 과정에 모두 중요한 기여를 한다.
• NLO에 보정된 파톤 슈머 이벤트 샘플이 생성되어 공개되었으며, 이는 EFT 신호 탐지에 있어 향상된 감도를 갖는 실험 분석에 직접 활용 가능하다.