[논문 리뷰] Snowmass White Paper: prospects for the measurement of top-quark couplings

Gauthier Durieux, Abel Gutiérrez Camacho외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 스노마스 화이트페이퍼는 표준모형효효장이론(SMEFT)을 사용하여 향후 충돌기에서 탑-쿼크 결합을 측정할 가능성을 평가한다. 하이퍼레저런스-레저런스-레저런스(LHC)와 전자-양전자 충돌기 데이터로부터 6차원 연산자의 윌슨 계수에 대한 제약 조건을 예측하며, 향후 실험들이 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 감도를 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

In this contribution to the 2021 Snowmass community planning exercise that informs the American strategy for particle physics, we present the prospects for measurements of the top-quark couplings at future colliders. Projections are presented for the high luminosity phase of the Large Hadron Collider and a future Higgs/electroweak/top factory electron-positron collider. Results are presented for the expected bounds on Wilson coefficients of the relevant SMEFT operators from a global fit to the top physics sector.

연구 동기 및 목표

• 향후 충돌기 실험이 SMEFT 프레임워크를 통해 탑-쿼크 결합에 대해 얼마나 민감한지를 평가하는 것.
• HL-LHC와 전자-양전자 충돌기 데이터를 사용하여 6차원 연산자 계수에 대한 제약 조건을 예측하는 것.
• 탑-쿼크 및 바텀-쿼크 연산자를 포함한 글로벌 피팅이 새로운 물리 현상 감도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• ILC, CLIC, CEPC, FCC-ee와 같은 다양한 향후 충돌기 시나리오 간의 제약 능력을 비교하는 것.
• SMEFT 피팅에 이차항을 포함함으로써 4쿼크 연산자에 대한 감도 향상을 수량화하는 것.

제안 방법

• 탑-쿼크 및 바텀-쿼크를 포함하는 6차원 연산자의 윌슨 계수를 통해 새로운 물리 효과를 매개변수화하기 위해 SMEFT 라그랑지안을 사용한다.
• HEPfit 패키지를 사용하여 향후 실험 데이터에 대한 글로벌 피팅을 수행하며, 연산자 계수에 대한 선형 기여에 중점을 둔다.
• 고질량 영역을 고려한 확장된 분할 구간을 사용하여 tt̄ 생성에서의 미세단면적 및 전하 비대칭 측정을 통합한다.
• 이전 분석에서 유도된 최적의 관측량을 사용하여 CEPC 및 FCC-ee와 같은 향후 전자-양전자 충돌기에서 탑-쿼크 부문을 제약 조건에 둔다.
• 다양한 충돌기 시나리오에 대해 상관행렬을 구축하여 매개변수 공간 내에서의 기울기와 감도를 평가한다.
• SMEFT 피팅에 이차항을 포함하거나 포함하지 않은 경우를 비교하여 막힘 방향과 4쿼크 연산자에 대한 감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC와 향후 전자-양전자 충돌기에서 SMEFT를 통해 탑-쿼크 결합의 편차에 대해 어떤 수준의 감도를 기대할 수 있는가?
• RQ2 SMEFT 피팅에 이차항을 포함할 경우 4쿼크 연산자에 대한 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 향후 충돌기 구성(예: ILC, CLIC, CEPC, FCC-ee) 간의 탑-쿼크 부문 연산자에 대한 상대적 제약 능력은 어떻게 되는가?
• RQ4 윌슨 계수 간의 상관관계가 새로운 물리 현상 시나리오를 구분하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 향후 탑-쿼크 및 바텀-쿼크 과정 측정이 동일한 SMEFT 연산자를 얼마나 잘 제약 조건에 둘 수 있는가?

주요 결과

• HL-LHC는 현재 데이터에 비해 탑-쿼크 부문 윌슨 계수에 대한 제약 조건을 최대 2~3배 향상시킬 것으로 예측된다.
• 250 GeV에서 작동하는 전자-양전자 충돌기(ILC)는 윌슨 계수 단위로 약 10⁻³ 수준의 탑-쿼크 전자약력 결합에 대한 감도를 확보할 수 있다.
• CEPC 및 FCC-ee 시나리오는 가장 엄격한 제약 조건을 제공할 것으로 예상되며, 일부 계수에 대한 예측 불확도가 0.005 이하로 떨어질 것으로 예측된다.
• SMEFT 피팅에 이차항을 포함함으로써 막힘 방향이 감소하고, 특히 색상 단일체 탑 전류를 가진 4쿼크 연산자에 대한 감도가 향상된다.
• 상관행렬은 $ C_{\text{φQ}}^{-} $, $ C_{\text{φt}} $, 및 $ C_{\text{lt}} $ 간에 강한 상관관계를 보이며, 이는 기울기를 깨는 데 있어 통합 측정이 필수적임을 시사한다.
• 미세단면적 및 전하 비대칭 측정에 고질량 영역(최대 4000 GeV)을 포함함으로써 특정 SMEFT 연산자에 대한 감도가 크게 향상된다.