[論文レビュー] Using associated top quark production to probe for new physics within the framework of effective field theory

Brent Yates|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、CMS実験から得られた13 TeV陽子-陽子衝突データ41.5 fb⁻¹を用い、トップクォーク関連最終状態に複数のレプトンを含む状況において、有効場理論（EFT）を用いて新しい物理学を探索する。16個の次元6 EFT作用素のウィルソン係数を変数とする、新規の2次パラメータ化手法を用いたグローバルフィットにより、95%信頼区間がすべて標準模型（SM）の値0を含む結果が得られ、現在の感度レベルでは顕著な新しい物理学の兆候は観測されなかった。

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.

研究の動機と目的

• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるトップクォーク生成において、有効場理論（EFT）形式を用いて標準模型（SM）を超える新しい物理学を探索すること。
• 陽子-陽子衝突における多レプトン最終状態へのグローバルフィットを通じて、16個の次元6 EFT作用素を制約すること。
• 感度の向上と仮定の削減を目的として、イベント重みをウィルソン係数の関数として新規の2次パラメータ化を考案・適用すること。
• システムティック不確実性をデータ駆動型のノイズパrameterとして取り扱い、フィットにおける理論的バイアスを最小限に抑えること。
• EFT効果が信号およびバックグラウンド過程に与える影響を、イベントレベルの相関を完全に保持した状態で評価すること。

提案手法

• イベント重みの2次パラメータ化を用いて、ウィルソン係数（WCs）の関数として断面積を表現し、SM寄与、干渉項、純粋EFT寄与を統合する。
• シミュレーションで非ゼロのWCsを仮定した場合に得られる構造定数（s₀, s₁, s₂, s₃）に基づき、イベントごとの感度モデルを構築する。
• 次元6トップEFTモデルをローレベルで生成し、EFT効果への感度を高めるために余分なパートオンを含める。
• BDTを用いたプロンプトおよびノンプロンプトレプトンの分離を伴う、レプトン多重度、電荷和、ジェットおよびbジェット多重度に基づく35のイベントカテゴリにわたるプロファイル尤度フィットを実施する。
• 誤って識別されたレプトン、行列要素マッチング、欠落部分子、スケール変動といったシステムティック不確実性を、フィットにおけるノイズパrameterとして取り扱う。
• 2通りのフィッティング手順を用いる：1つは他のすべてのWCsをプロファイルするもの、もう1つはそれらをゼロに固定するもので、妥当性と感度限界を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVでのトップクォーク生成における多レプトン最終状態を用いて、16個の次元6作用素からのEFT効果を制約できるか？
• RQ2 観測されたデータが、これらのEFT作用素のウィルソン係数の標準模型値（ゼロ）をどの程度まで除外するか？
• RQ3 EFT作用素同士およびシステムティック不確実性の相関が、グローバルフィットの感度にどのように影響するか？
• RQ4 2次パラメータ化が、ウィルソン係数の信頼区間の形状に与える影響は何か？
• RQ5 他のWCsをプロファイルする場合とゼロに固定する場合とで、結果にどのような差が生じるか？

主な発見

• すべての16個のウィルソン係数の95%信頼区間（2σ）が、標準模型の値0を含んでおり、SM予測からの統計的に有意なずれは観測されなかった。
• 他のWCsをプロファイルする場合、2次パラメータ化および尤度プロファイル効果のため、個々のWCsの1σおよび2σ信頼区間が広がることが確認された。
• c_{\mathrm{tW}}、c_{\mathrm{t\varphi}}、およびc_{\mathrm{\varphi t}}のWCsは、他のWCsをゼロに固定した場合に1σ区間が広がり、極端な状況における不確実性の増大を反映している。
• システムティック不確実性（特に誤って識別されたレプトン率およびシミュレーションモデル）は、データ駆動型のノイズパrameterとして取り扱われ、理論的バイアスが低減された。
• すべての35カテゴリにおけるフィット後イベント収率は、データと予測の間に良好な一致を示しており、残差は統計的およびシステムティック不確実性の範囲内に収まっていた。
• 本分析は、単一作用素の支配を仮定しない完全にデータ駆動型のグローバルフィット手法が、EFT制約に有効であることを示している。