[논문 리뷰] Simulation-based inference in the search for CP violation in leptonic WH production

R. F. Coelho Barrue, P. Conde-Muíño외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 05.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy참고 문헌 38인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 렙톤성 Higgs-스트라할링 (WH) 생성에서 CP 위반을 탐지하기 위해 시뮬레이션 기반 추론의 민감도를 SALLY 방법을 사용하여 평가한다. SALLY는 검출기 수준의 운동량에 기반하여 훈련되며, 전통적인 에너지 및 각도에 의존하는 관측량과 비교하여, 선형 윌슨 계수 효과의 경우 SALLY가 최적임을 보여주며, 이차 효과가 지배할 경우 $p_T^W$와 $Q_\ell\cos\delta^+$의 2차원 조합이 SALLY를 초월하여 약 25% 향상된 제한을 제공한다. 300 fb$^{-1}$의 루미너스에서 성능 향상을 확인할 수 있다.

ABSTRACT

Sources of CP violation beyond the Standard Model (BSM) are required to explain the baryonic asymmetry of the Universe. In this work, we study BSM CP-violating components in the HWW interaction in WH production, parametrized by an effective dimension-6 CP-odd operator. We explore a machine learning simulation-based inference method that estimates a detector-level optimal observable - SALLY - comparing it with energy-dependent and angular observables, exploring different binnings for their distributions. We show that in regions of phase space where the interference between SM and the effective operator dominates, a SALLY observable leads to optimal limits. In regions where effects of the quadratic term of the effective operator start becoming dominant, such an observable still leads to optimal limits. This work aims to test current multivariate techniques and inform analysis strategies for LHC Run 3 and beyond.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 렙톤성 WH 생성에서 CP 위반을 탐지하기 위한 시뮬레이션 기반 추론의 민감도를 평가하는 것.
• 차원 6의 CP-홀성 연산자로부터 유도된 선형 및 이차 기여가 있는 상황에서, SALLY의 성능을 전통적인 1차원 및 2차원 운동량 관측량(에너지 및 각도에 의존)과 비교하는 것.
• LHC 런 3에서 윌슨 계수의 선형 및 이차 효과를 분리하여 최적의 분석 전략을 도출하는 것.
• 실제 검출기 효과, 파arton 샤워 및 배경 모델링을 통한 방법의 검증

제안 방법

• 표준모형 효과 이론(Effective Field Theory, SMEFT) 형식을 사용하여, 차원 6의 CP-홀성 연산자 $\tilde{O}_{HW}$를 통해 CP 위반 기여를 매개변수화하며, 윌슨 계수 $\tilde{c}_{HW}$를 사용한다.
• SALLY는 파르톤 수준의 행렬 요소, 단면적 및 $\tilde{c}_{HW}$에 대한 기울기 정보를 사용하여 훈련되며, 검출기나 파톤 샤워 효과를 근사하지 않고도 검출기 수준의 최적 관측량(점수)을 추정한다.
• 신경망에 검출기 수준의 운동량 변수를 입력하고, 손실 함수로 연합 점수 $t(x,z_p) = \nabla_\theta \log p(z_p|\theta)$를 사용하며, 무한한 데이터 양에서 진짜 최적 관측량으로 수렴한다.
• 배경(예: $t\bar{t}$, $W$+제트)은 스메어링을 통해 전체 검출기 반응과 파톤 샤워 효과를 포함하여 시뮬레이션되며, 선택 조건은 생성기 수준에서 적용된다.
• 선형 및 이차 기여를 분리하기 위해 선형화된 및 전체 우도 비율을 사용하여 배제 한계를 유도한다.
• 통계 분석은 $\mathcal{L} = 300\ \text{fb}^{-1}$에서 95% 신뢰수준의 한계를 사용하여 다양한 관측량 간 민감도를 비교하며, 에너지 및 각도 변수에 대한 분할 분포를 테스트한다.

Figure 1 : Feynman diagram for WH associated production in the $\ell\nu b\bar{b}$ final state. The vertex of interest is circled in black.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SALLY 방법은 렙톤성 WH 생성에서 CP 위반을 탐지할 때 전통적인 1차원 및 2차원 운동량 관측량과 비교해 어떤 민감도를 보이는가?
• RQ2 어떤 위상공간 영역에서 SALLY가 최적의 성능을 보이며, 어떤 경우에 2차원 관측량 조합이 SALLY를 능가하는가?
• RQ3 다양한 관측량의 민감도에 기여하는 윌슨 계수의 선형 및 이차 항의 상대 기여는 어떻게 되는가?
• RQ4 에너지 및 각도에 의존하는 관측량에 대한 다양한 분할 전략은 $\tilde{c}_{HW}$ 탐지 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 SALLY는 검출기나 파톤 샤워 효과를 근사하지 않고도 전체 이벤트 운동량을 효과적으로 포착할 수 있는가?

주요 결과

• 선형 효과가 지배할 경우 SALLY는 $p_T^W$와 $Q_\ell\cos\delta^+$의 2차원 한계보다 약 25% 높은 민감도를 확보하며, 이는 이 영역에서의 최적성 확인.
• 이차 효과가 두드러지게 되면 $p_T^W$와 $Q_\ell\cos\delta^+$의 2차원 조합이 SALLY를 약 25% 초월하는 가장 날카운 제한을 제공한다.
• 전자기 입자 전하에 따라 각도 관측량을 가중하면 그 분류 능력이 향상되어 분석의 민감도가 향상된다.
• SALLY 방법은 무한한 데이터 양에서 검출기 수준의 최적 관측량으로 수렴하며, 전체 운동량 정보를 기반으로 훈련된 경우 강건함을 입증한다.
• 분석 결과, SALLY는 이차 기여가 지배할 경우 최적이 아니며, 이는 SALLY의 설계가 선형 신호 성분에 대해서만 최적화되어 있기 때문이다.
• 이 연구의 코드는 MadMiner를 기반으로 하며, GitHub에 공개되어 있어 재현 및 향후 다른 과정이나 연산자에 대한 확장이 가능하다.

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