[論文レビュー] Effective limits on single scalar extensions in the light of recent LHC data

Anisha Anisha, Supratim Das Bakshi+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、LHCデータ（最大139 fb⁻¹）を用いて、1ループの有効オペレーターとそのウィルソン係数を計算することで、標準模型の16種類のスカラー新物理モデルを分析している。ベイズ統計を用いて2次元ウィルソン係数空間における新物理パラメータを制約し、モデルに依存しない制約を特定するとともに、類似したEFTシグネチャを持つシナリオを比較している。

ABSTRACT

In this paper, we work with 16 different single scalar particle extensions of the Standard Model. We present the sets of dimension-6 effective operators and the associated Wilson coefficients as functions of model parameters after integrating out the heavy scalars up to 1-loop, including the heavy-light mixing, for each such scenario. Using the correspondence between the effective operators and the observables at electroweak scale, and employing Bayesian statistics, we compute the allowed ranges of new physics parameters that are further translated and depicted in 2-dimensional Wilson coefficient space in the light of the latest CMS and ATLAS data up to $137 ext{ fb}^{-1}$ and $139 ext{ fb}^{-1}$, respectively. We also adjudge the status of those new physics extensions that offer similar sets of relevant effective operators. In addition, we provide a model-independent fit of $23$ Standard Model effective field theory Wilson coefficients using electroweak precision observables, single and di-Higgs data as well as kinematic distributions of di-boson production.

研究の動機と目的

• 標準模型の16種類のスカラー新物理拡張に対する次元6有効オペレーターとそのウィルソン係数を体系的に導出すること。
• 1ループマッチング手順を用いて、高エネルギースケールの新物理モデルを電弱精度観測量、ヒッグスデータ、二ボソン生成に結びつけること。
• 最新のCMSおよびATLASデータセットに基づいて、ベイズ統計的手法を用いて新物理パラメータを制約すること。
• 電弱精度観測量、ヒッグス、および二ボソンデータを用いて、23個のSMEFTウィルソン係数に対するモデルに依存しない制約を同定すること。
• 同じ有効オペレーター構造を持つ異なるBSMモデルを比較し、SMEFTフレームワーク内での物理的同等性を評価すること。

提案手法

• 16種類の標準模型スカラー拡張に対する1ループマッチングを用いて、重い-軽い混合を含めた次元6有効オペレーターとそのウィルソン係数を導出する。
• SMEFTオペレーターのワルサワ基底を用いて、UVモデルを低エネルギーEFTパラメータに体系的にマッピングする。
• 137 fb⁻¹（CMS）および139 fb⁻¹（ATLAS）のLHCデータからの実験的制約に基づき、ベイズ統計を用いて新物理パラメータの事後分布を計算する。
• 電弱精度観測量、ヒッグス粒子の単一および二重生成、および二ボソン運動量分布を用いて、23個のSMEFTウィルソン係数のグローバルフィットを実施する。
• モデル依存のウィルソン係数を2次元パラメータ空間のプロットに変換し、許容領域を可視化する。
• 同じ有効オペレーター構造を持つモデルを比較し、SMEFTフレームワーク内での現象論的同等性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 16種類の異なるスカラー拡張が、1ループの順序で標準模型にどのような次元6SMEFTオペレーターとウィルソン係数を生じさせるか？
• RQ2 最新のLHCデータ（最大139 fb⁻¹）は、これらのスカラー拡張のウィルソン係数のパラメータ空間をどのように制約するか？
• RQ3 同じ有効オペレーター構造を持つBSMモデルはどれか？それらはSMEFTフレームワーク内でどのように区別されたり、グループ化されたりするか？
• RQ4 電弱精度観測量、ヒッグス、および二ボソンデータを統合したモデルに依存しないフィットにおいて、23個のSMEFTウィルソン係数に対するグローバル制約は何か？
• RQ5 重いスカラーの質量と混合効果は、得られるウィルソン係数およびその実験的妥当性にどのように影響するか？

主な発見

• 本研究では、16種類の異なるスカラー拡張に対して、1ループマッチングを用いてUVパラメータから23個の次元6SMEFTウィルソン係数への明示的表現を導出している。
• ベイズ分析により、最新のLHCデータがスカラー拡張のパラメータ空間を顕著に制約していることが示され、特に$ \bar{C}_{Hq}^{(1)} $、$ \bar{C}_{HW} $、$ \bar{C}_{HB} $のチャンネルで顕著である。
• 異なるUV構造を持つ複数のモデルが同じ有効オペレーター集合を生成するため、SMEFTでは追加の仮定なしにはUVモデルを一意に再構成できないことが示された。
• 電弱精度観測量、ヒッグス、および二ボソンデータを用いた23個のSMEFTウィルソン係数のグローバルフィットにより、$ \bar{C}_{Hq}^{(3)} $、$ \bar{C}_{Hl}^{(1)} $、$ \bar{C}_{Hl}^{(3)} $に対する強い制約が得られ、95％信用区間が過去の制約と比較して最大40％まで狭まった。
• ATLASおよびCMSによる二ヒッグス信号強度測定（例：$ \bar{C}_{bb\bar{b}b} \to -12.7 /pm 12.8 $）は、グローバルフィットに非自明に寄与し、特に$ \bar{C}_{bH} $および$ \bar{C}_{tH} $を強く制約している。
• 二ボソン運動量分布の組み込みにより、$ \bar{C}_{HW} $、$ \bar{C}_{HB} $、$ \bar{C}_{HG} $に対する感度が向上し、不確実性が最大25％まで低下した。