[논문 리뷰] Higgs, top and electro-weak precision measurements at future $e^+ e^-$ colliders; a combined effective field theory analysis with renormalization mixing

Sunghoon Jung, Junghwan Lee외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 힉스, 토프 쿼크, 전자약력 정밀도 측정의 통합 효과 이론 분석을 제시하며, 힉스와 토프 쿼크 연산자 간의 양자역학적 군집 혼합을 고려한다. 분석 결과, 250 GeV ILC 단계에서 힉스 결합 측정의 정밀도는 토프 쿼크 섹터 기여로 심각하게 떨어지며, 이는 LHC 또는 500 GeV ILC 단계에서 정밀한 토프-전자약력 결합 측정이 포함되지 않는 한 복구되지 않는다. 유일하게 강력한 전역 제약를 확보할 수 있는 것은 500 GeV에서의 측정이 가능할 때뿐이며, 이는 토프 기인의 양자역학적 군집 혼합 효과 때문이기 때문이다.

ABSTRACT

This paper presents a combined analysis of the potential of a future electron-positron collider to constrain the Higgs, top and electro-weak (EW) sectors of the Standard Model Effective Field Theory (SMEFT). The leading contributions of operators involving top quarks arise mostly at one-loop suppressed order and can be captured by the renormalization group mixing with Higgs operators. We perform global fits with an extended basis of 29 parameters, including both Higgs and top operators, to the projections for the Higgs, top and electro-weak precision measurements at the International Linear Collider (ILC). The determination of the Higgs boson couplings in the 250 GeV stage of the ILC is initially severely degraded by the additional top-quark degrees of freedom, but can be nearly completely recovered by the inclusion of precise measurements of top-quark EW couplings at the LHC. The physical Higgs couplings are relatively robust, as the top mass is larger than the energy scale of EW processes. The effect of the top operators on the bounds on the Wilson coefficients is much more pronounced and may limit our ability to identify the source of deviations from the Standard Model. Robust global bounds on all Wilson coefficients are only obtained when the 500 GeV stage of the ILC is included.

연구 동기 및 목표

• 향후 $e^+e^-$ 충돌기에서 토프 쿼크 섹터 연산자가 힉스 및 전자약력 정밀도 측정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 250 GeV ILC 단계에서 직접적인 토프 쿼크 생성이 이루어지지 않을 경우, 힉스/전자약력 정밀도 데이터를 통한 간접적 제약가 토프 쿼크 결합을 얼마나 보완할 수 있는지 평가하기 위해.
• 토프 기인의 양자역학적 군집 혼합 효과가 존재하는 상황에서도 모든 윌슨 계수에 대해 강력한 전역 경계를 확보할 수 있는 에너지 임계값을 규명하기 위해.
• SMEFT 연산자 기반을 29개의 매개변수로 확장하여, 힉스 및 토프 쿼크 연산자를 포함하고 주로 로그 증폭된 1-루프 기여를 반영하기 위해.
• 토프 섹터 기여로 인한 힉스 결합 측정 정밀도 저하 정도를 정량화하고, LHC 또는 500 GeV ILC 데이터를 활용한 완화 전략을 규명하기 위해.

제안 방법

• 7개의 새로운 토프 쿼크 연산자를 포함하여 SMEFT 연산자 기반을 확장함으로써, 힉스, 전자약력, 토프 물리에 영향을 주는 총 29개의 매개변수를 확보하였다.
• 히든-플럭투에이션 효과를 반영하기 위해, 힉스와 토프 쿼크 연산자 간의 1-루프 혼합 효과를 기술하기 위해 양자역학적 군집 진화를 적용하였다.
• 국제 선형 충돌기(ILC)의 250 GeV 및 500 GeV 단계에서 예상되는 측정치를 바탕으로, 힉스 생성/붕괴 비율, 전자약력 정밀도 관측량, 이중 보존 과정을 포함한 전역 피팅을 수행하였다.
• 토프 쿼크 전자약력 결합 측정치에서의 외부 제약 조건을 통합하여, 이들이 힉스 피팅의 토프 섹터 기여로 인한 정밀도 저하를 얼마나 완화하는지 평가하였다.
• 히든, 전자약력, 토프 섹터 관측량의 병합 데이터셋을 사용하여, 다양한 충돌기 단계에서 윌슨 계수의 감도를 평가하였다.
• 오차 및 상관관계를 정량화하기 위해 피팅의 공분산 행렬을 분석하였으며, 특히 토프 및 힉스 섹터 간의 상호작용에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 250 GeV ILC 단계에서 토프 쿼크 섹터 연산자는 힉스 보손 결합 측정의 정밀도를 어떻게 떨어뜨리는가?
• RQ2 LHC 또는 500 GeV ILC에서의 정밀한 토프 쿼크 전자약력 결합 측정이, 토프 섹터 기여로 인해 떨어진 힉스 결합 측정을 얼마나 복구할 수 있는가?
• RQ3 SMEFT 프레임워크에서 모든 윌슨 계수에 대해 강력한 전역 경계를 확보하기 위해 필요한 최소 에너지 임계값(250 GeV 대비 500 GeV)은 무엇인가?
• RQ4 히든과 토프 쿼크 연산자 간의 양자역학적 군집 혼합이 뉴 피질 물리의 원인을 규명하는 것을 얼마나 제한하는가?
• RQ5 250 GeV ILC에서 직접적인 토프 쿼크 생성 없이도, 힉스 및 전자약력 정밀도 데이터로부터 토프 쿼크 결합에 대한 간접적 제약를 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 250 GeV ILC 단계에서 힉스 보손 결합 측정의 정밀도는 힉스 연산자와 혼합되는 양자역학적 군집 효과로 인해 토프 쿼크 연산자의 포함으로 심각하게 떨어진다.
• 이 정밀도 저하 정도는 LHC에서의 정밀한 토프 쿼크 전자약력 결합 측정치를 전역 피팅에 포함시킬 경우 거의 완전히 복구된다.
• 유일하게 모든 윌슨 계수에 대해 강력한 전역 경계를 확보할 수 있는 것은 500 GeV ILC 단계가 포함된 경우뿐이며, 이는 토프 기인의 혼합 효과가 지배적이기 때문이다.
• 물리적 힉스 결합은 상대적으로 강건한 편이다. 이는 토프 쿼크 질량이 전자약력 과정의 에너지 스케일보다 크기 때문에 직접적인 민감도가 낮기 때문이다.
• 윌슨 계수 경계에 미치는 토프 연산자의 영향은 힉스 연산자보다 훨씬 더 두드러지며, 이는 표준모형에서의 편차 원인을 규명하는 능력을 제한할 수 있다.
• 500 GeV ILC 데이터의 포함은 토프 쿼크 섹터 연산자에 대한 전체 감도를 회복시켜 주며, 이는 힉스/전자약력 정밀도 측정치를 통해 250 GeV 단계에서 간접적인 토프 물리 연구가 가능하게 한다.