[논문 리뷰] Exploring SMEFT Couplings Using the Forward-Backward Asymmetry in Neutral Current Drell-Yan Production at the LHC

Anataichuk, Andrii, S. Moch외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 중성미자 Drell-Yan 레프톤 쌍 생성에서 Z 보손과 쿼크 간의 결합에 대한 전방-후방 비대칭도(AFB)의 민감도를 SMEFT 프레임워크를 사용하여 조사한다. 3000 fb⁻¹의 고광도 LHC 데이터 시뮬레이션을 xFitter 피팅 플랫폼를 통해 수행하여, AFB 측정치가 Z-쿼크 결합을 백분율 수준으로 제약할 수 있음을 보여주며, 기존 데이터를 초월하고 향후 충돌기 정밀도에 근접함을 입증한다. 또한 양성자 PDF 세트에 대한 강한 의존성과 동시에 PDF 및 결합 피팅이 가능한 잠재력을 드러낸다.

ABSTRACT

Neutral current Drell–Yan (DY) lepton-pair production is considered to study Z-boson quark couplings. Using the open-source fit platform xFitter, we investigate the impact of high-statistics measurements of the neutral current DY (NCDY) forward–backward asymmetry $A_{ extrm{FB}}$ near the weak boson mass scale in the present and forthcoming stages of the Large Hadron Collider (LHC). Besides recovering earlier results on the $A_{ extrm{FB}}$ sensitivity to parton distribution functions, we analyze the precision determination of Z-boson couplings to left-handed and right-handed u-quarks and d-quarks, and explore Beyond-Standard-Model contributions using the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT) framework. We perform a sensitivity study and comment on the role of the $A_{ extrm{FB}}$ asymmetry for the electroweak SMEFT fit and precision Z-boson physics at the LHC and high-luminosity HL-LHC.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 중성미자 Drell-Yan 생성에서 Z-보손과 u-형 및 d-형 쿼크 간의 결합에 대한 전방-후방 비대칭도(AFB)의 민감도를 평가하기 위해.
• 표준모형 효과적 양자장이론(SMEFT)의 결합에 대한 제약 개선 가능성을 AFB 측정치를 통해 평가하기 위해.
• 특히 무거운 Z′ 및 W′ 보손에 관련된 운동량 영역에서 정밀 전자약력 물리학 및 표준모형을 초월하는(BSM) 탐색에서 AFB의 역할을 조사하기 위해.
• HL-LHC에서의 AFB 기반 결합 결정 정밀도를 기존 LEP, HERA, 테바트론 및 향후 LHeC/FCC-eh 데이터와 비교하기 위해.
• 다양한 운동량 절단 조건과 PDF 세트 의존성에 대한 결과의 안정성과 동시에 PDF 및 결합 피팅의 필요성을 평가하기 위해.

제안 방법

• Z-보손과 u-형 및 d-형 쿼크 간의 수정을 기술하기 위해 차원-6 연산자를 포함한 SMEFT 라그랑지안을 사용하며, Z-피크 근처에서는 4 fermion 및 드롭 연산자를 忽略한다.
• SMEFT 수정을 구현하고 AFB 비대칭도를 예측하기 위해 xFitter 피팅 플랫폼를 사용하며, 이는 기존의 Ref. [9]의 구현을 확장한 것이다.
• HL-LHC의 3000 fb⁻¹ 루미너스 시나리오를 기반으로 Mℓℓ < 145 GeV 영역에서 AFB 비대칭도의 가짜 데이터를 생성한다.
• 다양한 PDF 세트(ABMP16, CT18, HERAPDF2.0, MSHT20, NNPDF4.0)를 사용하여 파arton 분포 함수(PDF)에 대한 의존성을 평가하기 위해 민감도 연구를 수행한다.
• 기존 LEP, HERA, 테바트론 및 LHC 데이터와 향후 LHeC 및 FCC-eh 충돌기의 예측치와 결과를 비교한다.
• 더 엄격한 Mℓℓ < 115 GeV 절단 조건을 적용하여 분석을 반복하고, 4 fermion 연산자가 피크에서 떨어진 영역에서 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 중성미자 Drell-Yan 생성에서 AFB 비대칭도는 SMEFT 프레임워크 내에서 Z-보손과 u-형 및 d-형 쿼크 간의 결합에 대해 경쟁적인 제약을 제공할 수 있는가?
• RQ2 HL-LHC에서 AFB 측정치를 통한 Z-쿼크 결합에 대한 예측 불확실도는 기존 실험과 향후 충돌기의 결과와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 AFB가 SMEFT 결합에 대한 민감도가 양성자 PDF 세트의 선택에 얼마나 의존하는가? 이는 동시에 PDF 및 결합 피팅이 필요하다는 것을 의미하는가?
• RQ4 운동량 절단 조건(Mℓℓ < 115 GeV 대비 Mℓℓ < 145 GeV)이 AFB에서 유도된 결합 결정의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LHC에서의 AFB 측정치는 특히 피크에서 떨어진 영역에서 4 fermion SMEFT 연산자에 대해 감도를 가질 수 있는가?

주요 결과

• 3000 fb⁻¹의 데이터로 HL-LHC는 Z-쿼크 결합을 u-형 및 d-형 쿼크에 대해 백분율 수준의 정밀도로 결정할 것으로 예측되며, 기존 데이터보다 약 10배 우수한 성능을 보인다.
• d-형 쿼크에 대한 결합에 대한 불확실도는 u-형 쿼크에 비해 약 두 배 정도 크며, 이는 AFB 민감도가 낮기 때문이다.
• 결과는 양성자 PDF 세트의 선택에 따라 상당한 의존성을 보이며, ABMP16, CT18, HERAPDF2.0, MSHT20, NNPDF4.0는 일관되지만 PDF에 의존하는 제약을 제공한다.
• 더 엄격한 Mℓℓ < 115 GeV 절단 조건을 적용한 안정성 검증을 통해 결합 불확실도가 약 7% 증가하였으며, 주요 결과의 안정성을 확인하였다.
• HL-LHC에서 확보된 정밀도는 향후 LHeC 및 FCC-eh 충돌기에서 예상되는 정밀도와 유사하지만 略로 떨어진다.
• Z-피크 근처(Mℓℓ < 145 GeV)에서는 4 fermion 연산자가 AFB에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도로 작으며, 이는 분석에서 이를 생략하는 데 타당성을 부여한다. 다만, 더 높은 질량에서는 이러한 연산자가 중요해질 수 있다.