[论文解读] 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 4

一句话总结

本文通过计算一阶微扰有效算符及其威尔逊系数，利用截至139 fb⁻¹的LHC数据，分析了标准模型的16种单标量新物理扩展。采用贝叶斯统计方法，在二维威尔逊系数空间中约束新物理参数，识别出模型无关的限制，并比较具有相似有效场论（EFT）信号的各类模型。

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.

研究动机与目标

• 系统推导标准模型16种单标量扩展的六维有效算符及其威尔逊系数。
• 通过一阶微扰匹配程序，将高能标新物理模型与电弱精确测量可观测量、希格斯玻色粒子数据及二玻色子衰变过程联系起来。
• 应用贝叶斯统计推断，利用最新的CMS和ATLAS数据集约束模型参数。
• 利用电弱精确测量、希格斯玻色子数据及二玻色子数据，识别23个SMEFT威尔逊系数的模型无关约束。
• 比较在SMEFT框架下产生相同有效算符结构的不同BSM模型。

提出的方法

• 通过一阶微扰匹配（包括重-轻混合）推导16种不同标量扩展的六维有效算符及其威尔逊系数。
• 利用SMEFT算符的华沙基（Warsaw basis）系统地将UV模型映射为低能EFT参数。
• 应用贝叶斯统计方法，基于137 fb⁻¹（CMS）和139 fb⁻¹（ATLAS）LHC数据的实验约束，计算新物理参数的后验分布。
• 通过电弱精确测量、单希格斯与双希格斯产生过程及二玻色子运动学分布，对23个SMEFT威尔逊系数进行全局拟合。
• 将模型依赖的威尔逊系数转化为二维参数空间图，以可视化允许区域。
• 比较具有相同有效算符内容的模型，评估其在SMEFT框架下的现象学等价性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在一阶微扰下，16种不同的标准模型单标量扩展会产生哪些六维SMEFT算符及其威尔逊系数？
• RQ2 最新的LHC数据（截至139 fb⁻¹）如何约束这些标量扩展在威尔逊系数参数空间中的范围？
• RQ3 哪些BSM模型在SMEFT中产生相同的有效算符结构？它们如何被区分或归类？
• RQ4 当结合电弱精确测量、希格斯玻色子及二玻色子数据进行模型无关拟合时，23个SMEFT威尔逊系数的全局约束是什么？
• RQ5 重标量质量及混合效应如何影响最终的威尔逊系数及其实验可行性？

主要发现

• 该研究通过一阶微扰匹配，明确推导出16种不同标量扩展的表达式，将其UV参数映射为23个六维SMEFT威尔逊系数。
• 贝叶斯分析表明，最新的LHC数据显著约束了标量扩展的参数空间，尤其在$ \bar{C}_{Hq}^{(1)} $、$ \bar{C}_{HW} $和$ \bar{C}_{HB} $通道中。
• 多个具有不同UV结构的模型产生完全相同的有效算符集合，表明仅凭SMEFT无法在无额外假设下唯一重建UV模型。
• 通过结合电弱精确测量、希格斯玻色子及二玻色子数据对23个SMEFT威尔逊系数进行全局拟合，发现对$ \bar{C}_{Hq}^{(3)} $、$ \bar{C}_{Hl}^{(1)} $和$ \bar{C}_{Hl}^{(3)} $有强约束，95%可信区间相比先前限制缩小了最多达40%。
• ATLAS和CMS的双希格斯信号强度测量（例如，$ \bar{C}_{bb\bar{b}b} \to -12.7 /pm 12.8 $）对全局拟合有非平凡贡献，尤其显著约束了$ \bar{C}_{bH} $和$ \bar{C}_{tH} $。
• 引入二玻色子运动学分布可提高对$ \bar{C}_{HW} $、$ \bar{C}_{HB} $和$ \bar{C}_{HG} $的灵敏度，使不确定性降低最多达25%。