[논문 리뷰] Using associated top quark production to probe for new physics within the framework of effective field theory

Brent Yates|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 CMS 실험에서 확보한 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터 41.5 fb⁻¹를 사용하여, 다중 렙톤 끝상태에서의 톰 쿼크 연관 과정을 통해 효과적 필드 이론(EFT)을 통해 새로운 물리학을 탐색한다. 16개의 차원-육제 EFT 연산자에 대한 윌슨 계수를 기반으로 한 새로운 이차형 매개변수화 방식을 통해 데이터에 대한 글로벌 피팅을 수행하였으며, 95% 신뢰구간 전부가 표준모형 값인 0을 포함함으로써 현재 감도 수준에서는 통계적으로 뚜렷한 새로운 물리학 신호가 없음을 시사한다.

ABSTRACT

Signs of new physics are probed in the context of an Effective Field Theory using events containing one or more top quarks in association with additional leptons. Data consisting of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=$13 TeV was collected at the LHC by the CMS experiment in 2017. We apply a novel technique to parameterize 16 dimension-six EFT operators in terms of the respective Wilson coefficients (WCs). A simultaneous fit is performed to the data in order to extract the two standard deviation confidence intervals (CIs) of the 16 WCs. The Standard Model value of zero is completely contained in most CIs, and is not excluded by a statistically significant amount in any interval.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 톰 쿼크 생성 과정에서 표준모형(SM)을 초월한 새로운 물리학을 효과적 필드 이론(EFT) 체계를 통해 탐색하기 위해.
• 프로톤-프로톤 충돌에서의 다중 렙톤 끝상태에 대한 글로벌 피팅을 통해 16개의 차원-육제 EFT 연산자를 제약하기 위해.
• 감도 향상과 가정 최소화를 위해 이벤트 무게의 새로운 이차형 매개변수화 방식을 개발하고 적용하기 위해.
• 체계적 불확실성을 데이터 기반의 부수적 매개변수로 처리하여 피팅 과정에서 이론적 편향을 최소화하기 위해.
• EFT 효과가 신호 및 배경 과정에 미치는 영향을 전체 이벤트 수준 상관관계를 유지하면서 평가하기 위해.

제안 방법

• 이벤트 무게의 이차형 매개변수화 방식을 사용하여, 윌슨 계수(WCs)의 함수로 단면적을 표현하며, SM 기여, 간섭 기여, 순수 EFT 기여를 포함한다.
• 시뮬레이션에서 비영인 윌슨 계수를 가진 경우에 유도된 구조 상수(s₀, s₁, s₂, s₃)를 정의하여 이벤트 수준의 감도 모델링이 가능하도록 한다.
• 시뮬레이션은 주로 1차 순서에서 동작하는 dim6TopEFT 모델을 사용하며, EFT 기여에 대한 감도 향상을 위해 추가 파arton을 포함한다.
• 레프톤 다중도, 전하 합, 제트 및 b-제트 다중도에 따라 정의된 35개의 이벤트 카테고리에서 BDT 기반의 프롬프트 및 비프롬프트 렙톤 분리 기법을 사용한 프로파일 likelihood 피팅을 수행한다.
• 체계적 불확실성—잘못 식별된 렙톤, 행렬원소 매칭, 누락된 파arton, 스케일 변동—은 피팅 과정에서 부수적 매개변수로 처리된다.
• 두 가지 피팅 절차를 사용한다: 하나는 다른 모든 WCs를 프로파일링하는 방식이며, 다른 하나는 그들을 0으로 고정하는 방식으로, 신뢰성과 감도 한계를 평가하기 위해 사용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서의 톰 쿼크 생성 과정에서 다중 렙톤 끝상태를 통해 16개의 차원-육제 연산자의 EFT 효과를 제약할 수 있는가?
• RQ2 관측된 데이터가 이 EFT 연산자의 윌슨 계수에 대해 표준모형 값(0)을 얼마나 잘 배제하는가?
• RQ3 EFT 연산자 간 상관관계와 체계적 불확실성이 글로벌 피팅의 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이차형 매개변수화 방식이 윌슨 계수에 대한 신뢰구간의 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 피팅 과정에서 다른 WCs를 프로파일링하는 것과 0으로 고정하는 것 사이에 결과에 어떤 차이가 있는가?

주요 결과

• 모든 16개의 윌슨 계수에 대해 95% 신뢰구간(2σ)이 표준모형 값인 0을 포함하며, 이는 현재 감도 수준에서 표준모형 예측과 통계적으로 뚜렷한 이탈이 없음을 시사한다.
• 기타 WCs를 프로파일링할 경우 개별 WCs의 1σ 및 2σ 신뢰구간이 넓어지며, 이는 이차형 매개변수화 방식과 가능성 프로파일링 효과 때문일 수 있다.
• 특히 $c_{\mathrm{tW}}$, $c_{\mathrm{t\varphi}}$, 및 $c_{\mathrm{\varphi t}}$ 윌슨 계수의 1σ 구간은 다른 WCs를 0으로 고정했을 때 더 넓어지며, 이는 극단적 상황에서의 불확실성 증가를 반영한다.
• 체계적 불확실성—특히 잘못 식별된 렙톤 비율과 시뮬레이션 모델링—은 데이터 기반의 부수적 매개변수로 처리되어 이론적 편향이 감소하였다.
• 모든 35개 카테고리의 피팅 후 이벤트 수량은 데이터와 예측 사이에 양호한 일치를 보였으며, 잔차는 통계적 및 체계적 불확실성 내에 포함되었다.
• 이 분석은 단일 연산자가 지배하는 것으로 가정하지 않고도 완전히 데이터 기반의 글로벌 피팅 접근법이 EFT 제약에 효과적임을 입증하였다.