[논문 리뷰] Effective Field Theory for Higgs properties parametrisation: the transverse momentum spectrum case

Massimiliano Grazzini, Agnieszka Ilnicka외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 효과적 장이론(SMEFT) 프레임워크를 확장하여, 2차 고차원 연산자(톱/바텀 양자수 상호작용 및 힉스-글루온 상호작용)를 포함한 NNLL+NNLO 정확도로 힉스 보손의 횡방향 운동량($p_T$) 스펙트럼을 계산한다. 이 연산자들은 특히 저-$p_T$ 영역(바텀 양자수)과 고-$p_T$ 영역(글루온 결합)에서 특징적인 스펙트럼 왜곡을 유도하며, 스케일 불확도를 크게 감소시켜 표준모형을 초월한 뉴피직스에 대한 민감도를 향상시킨다.

ABSTRACT

After the Higgs boson discovery, LHC can be used as a precision machine to explore its properties. Indeed, in case new resonances will not be found, the only access to New Physics would be via measuring small deviations from the SM predictions. A consistent approach is provided by a bottom-up Effective Field Theory, with dimension six operators built of Standard Model fields (SMEFT). We discuss how this approach works in case of the transverse momentum spectrum of the Higgs particle. In our calculation we augmented the Standard Model with three additional operators describing modifications of the top and bottom Yukawa couplings, and a point-like Higgs coupling to gluons. Based on recently presented resummed transverse-momentum spectra including these operators at NLL+NLO accuracy,which we recently presented in Ref [1], in this note we show the extension of the calculation to NNLL+NNLO. We find that such modifications, while affecting the total rate within the current uncertainties, can lead to significant distortions of the spectrum. Additionally, through significant reduction of the scale uncertainty we improve the sensitivity to the new operators.

연구 동기 및 목표

• 횡방향 운동량 스펙트럼을 통한 힉스 보손 성질을 탐색하기 위한 고정도 효과적 장이론(SMEFT) 프레임워크를 개발하는 것.
• LHC에서 뉴레조네이션을 관측하지 못한 상황에서 표준모형 예측과의 미세한 편차를 다루는 데 도전하는 것.
• 고차항 재결합을 통해 $p_T$ 스펙트럼의 미세한 불확도를 감소시켜 뉴피직스에 대한 민감도를 향상시키는 것.
• 다양한 6차원 연산자(양자수 및 힉스-글루온 결합)가 $p_T$ 분포에 미치는 영향을 구분하는 것.

제안 방법

• 계산은 척도화 절차를 사용한다: NNLL+NNLO 표준모형 예측을 NLL+NLO SMEFT/SM 비율로 척도 조정하여 6차원 연산자를 포함한다.
• SMEFT 라그랑지안은 세 개의 6차원 연산자로 확장된다: $\mathcal{O}_1$ (히iggs-글루온 결합), $\mathcal{O}_2$ (톱 양자수), $\mathcal{O}_3$ (바텀 양자수).
• 위르스키 계수 $c_t$, $c_b$, $c_g$는 표준모형에서의 편차를 매개변수화하며, $c_t$와 $c_b$는 각각 토프 및 바텀 쿼크 결합에 관련된다.
• 퍼티럽레이티브 불확도는 $\mu_R$, $\mu_F$ 및 두 개의 재결합 스케일($Q_t$, $Q_{\text{int}}$)의 일곱 점 스케일 변동을 통해 추정된다.
• 분석은 SM 결과를 위한 HRes 수치 코드에 기반하며, 이전의 NLL+NLO SMEFT 스펙트럼을 NNLL+NNLO 정확도로 확장한다.
• 방법론은 NNLL+NNLO SM 결과에 대해 무거운 토프 근사에 기반하며, 유한한 토프 질량 보정을 근사적으로 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6차원 SMEFT 연산자가 NNLL+NNLO 정확도에서 힉스 보손 횡방향 운동량 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 전체 단면적에서의 중첩 효과가 존재하더라도, 다양한 SMEFT 연산자에 의한 스펙트럼 왜곡을 어떻게 분리할 수 있는가?
• RQ3 NNLL+NNLO와 같이 고차항 정확도를 높임으로써 스케일 불확도가 얼마나 감소하고, 뉴피직스 민감도가 향상되는가?
• RQ4 위르스키 계수 $c_t$, $c_b$, $c_g$가 다양한 운동역학적 영역에서 $p_T$ 스펙트럼의 형태와 정규화에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• SMEFT 연산자의 포함으로 인해, 표준모형과의 총 단면적 편차가 20% 이내일지라도 힉스 $p_T$ 스펙트럼에 상당한 왜곡이 발생한다.
• 바텀 양자수 상호작용($\mathcal{O}_3$)은 주로 저-$p_T$ 영역에 영향을 주며, 힉스-글루온 상호작용($\mathcal{O}_1$)은 고-$p_T$ 尾영역을 왜곡한다.
• 톱 양자수 상호작용($\mathcal{O}_2$)은 주로 총 정규화에 영향을 주며, 형태에 대한 영향은 미미하다.
• NLL+NLO에서 NNLL+NNLO로 전환함으로써, 저- 및 중간-$p_T$ 영역(최대 250 GeV 이내)에서 스케일 불확도가 약 두 배 감소한다.
• NNLL+NNLO에서 다양한 연산자의 스펙트럼 효과는 나머지 스케일 불확도를 초월하여, 뉴피직스 시나리오 간의 구분이 향상된다.
• 스펙트럼 형태는 매개입자의 질량에 따라 달라진다: 더 가벼운 매개입자(예: 바텀 쿼크)는 더 부드러운 스펙트럼을 생성하고, 점입자 결합(무한대 질량 근사)은 더 딱딱한 스펙트럼을 낳는다.