[论文解读] An unambiguous test of positivity at lepton colliders

Jiayin Gu, Lian-Tao Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2020

Computational Physics and Python Applications参考文献 1被引用 13

一句话总结

本文提出了一种利用未来轻子对撞机中的二光子道，对量子场论正则性界限进行明确检验的方法，其中八维算符占主导地位，并受幺正性、局域性和解析性的约束。结果表明，这些界限能够解决算符简并问题，并显著改变全局分析结果，在高能 $\bar{u}u\to\bar{u}u$ 过程中观察到强烈的相互作用。

ABSTRACT

The diphoton channel at lepton colliders, $e^+e^- (\mu^+\mu^-) o \gamma \gamma$, has a remarkable feature that the leading new physics contribution comes only from dimension-eight operators. This contribution is subject to a set of positivity bounds, derived from fundamental principles of Quantum Field Theory, such as unitarity, locality and analyticity. These positivity bounds are thus applicable to the most direct observable -- the diphoton cross sections. This unique feature provides a clear, robust, and unambiguous test of these principles. We estimate the capability of various future lepton colliders in probing the dimension-eight operators and testing the positivity bounds in this channel. We show that positivity bounds can lift certain degeneracies among the effective operators and significantly change the perspectives of a global analysis. We also perform a combined analysis of the $\gamma\gamma/Z\gamma/ZZ$ processes in the high energy limit and point out the important interplay among them.

研究动机与目标

• 通过未来轻子对撞机中的二光子道，建立对幺正性、局域性和解析性等基本量子场论原理的直接、明确检验。
• 研究八维算符的正则性界限如何影响对撞机数据的解释，并解决有效场论算符之间的简并问题。
• 通过二光子截面测量评估未来轻子对撞机对八维算符的敏感度。
• 探讨高能极限下 $\bar{\nu}\nu\to\bar{\nu}\nu$、$\bar{\nu}\nu\to Z\bar{\nu}\nu$ 和 $\bar{\nu}\nu\to ZZ$ 过程之间的相互作用。

提出的方法

• 从幺正性、局域性和解析性等基本QFT原理出发，专门应用于 $e^+e^-$ 和 $\bar{\nu}\nu$ 对撞机中的二光子道，推导出正则性界限。
• 分析 $e^+e^-\to\bar{\nu}\nu$ 过程中八维算符的主导贡献，该过程在高能下主导二光子末态。
• 通过评估其对二光子截面的影响，估算未来轻子对撞机对八维算符的敏感度。
• 在高能极限下，对 $\bar{\nu}\nu\to\bar{\nu}\nu$、$\bar{\nu}\nu\to Z\bar{\nu}\nu$ 和 $\bar{\nu}\nu\to ZZ$ 过程进行全局分析，以研究算符之间的相互作用。
• 利用振幅结构识别正则性界限如何约束威尔逊系数的组合，而不仅限于单个算符的敏感度。
• 应用高能有效场论框架计算散射振幅，并从幺正性推导可观测约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过轻子对撞机中的二光子产生过程，直接检验由基本QFT原理导出的正则性界限？
• RQ2 正则性界限如何在二光子道中解决八维有效场论算符之间的简并问题？
• RQ3 未来轻子对撞机通过二光子截面测量对八维算符的敏感度如何？
• RQ4 在高能下，$\bar{\nu}\nu\to\bar{\nu}\nu$、$\bar{\nu}\nu\to Z\bar{\nu}\nu$ 和 $\bar{\nu}\nu\to ZZ$ 过程如何相互作用以约束同一组算符？
• RQ5 正则性界限在多参数有效场论分析中，对全局拟合结果的改变程度如何？

主要发现

• 轻子对撞机中的二光子道对八维算符具有独特敏感性，这些算符主导了新物理的领先贡献。
• 由幺正性、局域性和解析性导出的正则性界限，可通过可观测的二光子截面，对基本QFT原理进行直接且明确的检验。
• 这些界限能够解决在全局拟合中原本无法区分的八维算符之间的简并问题。
• 未来轻子对撞机预计将以高灵敏度探测八维算符，显著改善对有效场论参数的约束。
• 对 $\bar{\nu}\nu\to\bar{\nu}\nu$、$\bar{\nu}\nu\to Z\bar{\nu}\nu$ 和 $\bar{\nu}\nu\to ZZ$ 过程的联合分析揭示了强烈的相互作用，从而增强了对正则性破坏配置的敏感度。
• 引入正则性界限从根本上改变了全局分析的格局，排除了仅由对撞机数据原本允许的参数区域。