[论文解读] Exploring SMEFT Couplings Using the Forward-Backward Asymmetry in Neutral Current Drell-Yan Production at the LHC

Anataichuk, Andrii, S. Moch+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文利用SMEFT框架，研究了在LHC上通过高亮度数据（3000 fb⁻¹）模拟，中性流Drell-Yan过程中的正向-反向不对称性（AFB）对Z玻色子与夸克耦合的敏感性。结果表明，AFB测量可将Z-夸克耦合约束在百分之一水平，优于现有数据并接近未来对撞机的精度，同时强调了对质子部分子分布函数（PDF）集的强依赖性，并展示了同时拟合PDF与耦合参数的潜力。

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.

研究动机与目标

• 评估LHC上中性流Drell-Yan过程中正向-反向不对称性（AFB）对Z玻色子与u型和d型夸克耦合的敏感性。
• 评估AFB测量在改进标准模型有效场论（SMEFT）耦合参数约束方面的潜力，特别是对左旋和右旋夸克的约束。
• 研究AFB在精确电弱物理和标准模型之外（BSM）新物理搜索中的作用，特别是在与重Z′和W′玻色子相关的动量区域。
• 将HL-LHC上基于AFB的耦合参数确定精度与现有LEP、HERA、Tevatron以及未来LHeC和FCC-eh数据进行比较。
• 探究在不同动量截断条件和PDF集依赖性下的结果鲁棒性，并评估同时进行PDF与耦合参数拟合的必要性。

提出的方法

• 使用包含六维算符的SMEFT拉格朗日量，对Z玻色子与u型和d型夸克的耦合进行修正建模，忽略Z峰附近四费米子和电偶极算符的影响。
• 采用xFitter拟合平台实现SMEFT修正并预测AFB不对称性，扩展了参考文献[9]中的先前实现方法。
• 基于3000 fb⁻¹的HL-LHC亮度情景，生成Mℓℓ < 145 GeV区域中AFB不对称性的伪数据。
• 使用多种PDF集（ABMP16、CT18、HERAPDF2.0、MSHT20、NNPDF4.0）进行敏感性研究，评估部分子分布函数的依赖性。
• 将结果与现有LEP、HERA、Tevatron和LHC数据，以及未来对撞机LHeC和FCC-eh的预测进行比较。
• 通过在更严格的Mℓℓ < 115 GeV截断下重复分析，开展鲁棒性检验，并评估四费米子算符在非共振区的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SMEFT框架下，LHC中性流Drell-Yan过程的AFB不对称性能否对Z玻色子与u型和d型夸克的耦合提供具有竞争力的约束？
• RQ2 HL-LHC上基于AFB测量的Z-夸克耦合参数投影不确定性，与现有实验和未来对撞机相比如何？
• RQ3 AFB对SMEFT耦合参数的敏感性在多大程度上依赖于所选质子PDF集？这是否意味着必须同时进行PDF与耦合参数的联合拟合？
• RQ4 动量截断（如Mℓℓ < 115 GeV 与 Mℓℓ < 145 GeV）对基于AFB的耦合参数确定精度有何影响？
• RQ5 LHC上的AFB测量能否对四费米子SMEFT算符提供敏感性，尤其是在非共振区域？

主要发现

• 在3000 fb⁻¹数据下，HL-LHC有望将Z-夸克耦合对u型和d型夸克的测量精度提升至百分之一水平，优于现有数据一个数量级。
• 对d型夸克的耦合参数不确定性约为u型夸克的两倍，这是由于AFB对d夸克的敏感性较低所致。
• 结果显著依赖于所选质子PDF集，ABMP16、CT18、HERAPDF2.0、MSHT20和NNPDF4.0均给出一致但依赖于PDF集的约束结果。
• 在更严格的Mℓℓ < 115 GeV截断下进行鲁棒性检验，耦合参数不确定性增加约7%，证实了主要结果的稳定性。
• HL-LHC实现的精度与未来对撞机LHeC和FCC-eh的预期精度相当，但略低。
• 在Z峰附近（Mℓℓ < 145 GeV）四费米子算符对AFB的影响可忽略，因此分析中可合理排除，但在更高质量区域可能变得重要。