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

Sunghoon Jung, Junghwan Lee+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 39被引用 5

一句话总结

本文对未来的 $e^+e^-$ 对撞机中希格斯玻色子、顶夸克及电弱精确测量进行了联合有效场论分析，引入了希格斯与顶夸克算符之间的跑动方程混合作用。研究发现，除非包含来自大型强子对撞机（LHC）或500 GeV ILC阶段的精确顶-电弱耦合测量，否则250 GeV ILC阶段的希格斯耦合测定将严重受到顶夸克 sector 贡献的影响；只有在500 GeV阶段才能实现对威尔逊系数的稳健全局约束，原因在于顶夸克诱导的跑动方程混合作用。

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.

研究动机与目标

• 评估未来 $e^+e^-$ 对撞机中顶夸克 sector 算符对希格斯玻色子及电弱精确测量的影响。
• 评估是否可通过希格斯/电弱精确测量对顶夸克耦合的间接约束，来补偿250 GeV ILC阶段缺乏直接顶夸克产生时的不足。
• 确定在考虑顶夸克诱导的跑动方程混合作用下，实现对威尔逊系数稳健全局约束的最低能量阈值。
• 将SMEFT算符基扩展至包含29个参数，涵盖希格斯与顶夸克算符，并包含主导对数增强的一圈贡献。
• 量化由于顶夸克 sector 贡献导致的希格斯耦合测定精度下降程度，并识别利用LHC或500 GeV ILC数据进行缓解的策略。

提出的方法

• 将SMEFT算符基扩展，新增七个顶夸克算符，使影响希格斯、电弱及顶夸克物理的总参数数达到29个。
• 应用跑动方程演化，捕捉希格斯算符与顶夸克算符之间的一圈混合作用，重点关注对数增强贡献。
• 对国际线性对撞机（ILC）在250 GeV与500 GeV阶段的预期测量结果进行全局拟合，涵盖希格斯产生/衰变率、电弱精确可观测量及二体规范玻色子过程。
• 引入来自LHC的顶夸克电弱耦合测量作为外部约束，以评估其对缓解顶夸克 sector 导致的希格斯拟合退化的影响。
• 使用希格斯、电弱及顶夸克 sector 可观测量的联合数据集，评估不同对撞机阶段下威尔逊系数边界的敏感度。
• 分析拟合的协方差矩阵，量化不确定度与相关性，尤其关注顶夸克与希格斯 sector 之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 顶夸克 sector 算符如何在250 GeV ILC阶段降低希格斯玻色子耦合测定的精度？
• RQ2 在LHC或500 GeV ILC阶段对顶夸克电弱耦合进行精确测量，能在多大程度上恢复因顶夸克 sector 贡献而退化的希格斯耦合测定？
• RQ3 在SMEFT框架下，实现对所有威尔逊系数稳健全局边界的最低能量阈值（250 GeV 与 500 GeV）是多少？
• RQ4 希格斯与顶夸克算符之间的跑动方程混合作用在限制新物理源识别方面有多重要？
• RQ5 在250 GeV ILC阶段，若无直接顶夸克产生，能否仅通过希格斯与电弱精确测量数据间接提取对顶夸克耦合的约束？

主要发现

• 在250 GeV ILC阶段，由于顶夸克算符与希格斯算符之间的跑动方程混合作用，希格斯玻色子耦合的测定精度受到严重削弱。
• 当在全局拟合中引入来自LHC的精确顶夸克电弱耦合测量时，这种退化几乎被完全恢复。
• 只有在包含500 GeV ILC阶段数据时，才能获得对所有威尔逊系数的稳健全局边界，原因在于顶夸克诱导的混合作用占主导地位。
• 物理希格斯耦合保持相对稳健，因为顶夸克质量大于电弱过程的能量尺度，从而抑制了直接敏感性。
• 顶夸克算符对威尔逊系数边界的效应远强于希格斯算符，可能限制对标准模型偏离来源的识别能力。
• 包含500 GeV ILC数据可恢复对顶夸克 sector 算符的完整敏感度，从而在250 GeV阶段通过希格斯/电弱精确测量实现对顶物理的间接探测。