[论文解读] Monte Carlo tools for studies of non-standard electroweak gauge boson interactions in multi-boson processes: A Snowmass White Paper

Céline Degrande, O. J. P. Éboli+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 25

一句话总结

本篇2013年Snowmass白皮书对蒙特卡洛工具——MadGraph5、VBFNLO与WHIZARD——在大型强子对撞机（LHC）上利用维度-6和维度-8算符的有效场论（EFT）模拟多规范玻色子过程中的非标准电弱相互作用进行了全面比较。该研究建立了各程序在异常耦合实现上的统一性，并确认了积分截面与微分截面在亚百分之一水平上的一致性，验证了这些工具在标准模型之外电弱对称性自发破缺精密研究中的可靠性。

ABSTRACT

In this Snowmass 2013 white paper, we review the effective field theory approach for studies of non-standard electroweak interactions in electroweak vector boson pair and triple production and vector boson scattering. We present an overview of the implementation of dimension six and eight operators in MadGraph5, VBFNLO, and WHIZARD, and provide relations between the coefficients of these higher dimensions operators used in these programs and in the anomalous couplings approach. We perform a tuned comparison of predictions for multi-boson processes including non-standard electroweak interactions with MadGraph5, VBFNLO, and WHIZARD. We discuss the role of higher-order corrections in these predictions using VBFNLO and a POWHEG BOX implementation of higher-order QCD corrections to WWjj production. The purpose of this white paper is to collect useful tools for the study of non-standard EW physics at the LHC, compare them, and study the main physics issues in the relevant processes.

研究动机与目标

• 为利用维度-6和维度-8算符的有效场论（EFT）研究多规范玻色子过程中的非标准电弱相互作用，提供统一框架。
• 比较主要蒙特卡洛工具（MadGraph5、VBFNLO与WHIZARD）中异常耦合及高维算符的实现方式。
• 验证在非标准耦合下，对三规范玻色子过程与矢量玻色子散射过程的预测一致性。
• 评估高阶QCD与电弱修正对敏感于新物理的可观测量的影响。
• 通过提供一个经过交叉验证的可靠工具集，支持未来LHC与高能对撞机研究中的非标准模型电弱物理。

提出的方法

• 应用有效场论（EFT）形式化方法，通过电弱规范玻色子 sector 中的维度-6与维度-8算符描述非标准相互作用。
• 显式推导并交叉验证了EFT算符系数与LEP分析中使用的异常耦合方法之间的关系。
• 在MadGraph5、VBFNLO与WHIZARD中，采用一致约定系统比较维度-6与维度-8算符的实现。
• 计算关键过程的微分截面与积分截面：$pp \to W^+W^+jj$，$pp \to e^+\nu_e\gamma\gamma$，以及$W^{+}\gamma\gamma$产生过程。
• 利用VBFNLO（QCD修正）与POWHEG BOX（$WWjj$的QCD修正）评估高阶修正，实现高精度比较。
• 通过使用相同物理输入与异常耦合值，在不同代码间进行统计交叉检验，所有偏差均归因于统计涨落。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用包含维度-6与维度-8算符的EFT时，MadGraph5、VBFNLO与WHIZARD在非标准耦合下的多规范玻色子产生预测结果如何比较？
• RQ2 EFT算符系数与LEP惯例中使用的异常耦合参数之间的映射一致性如何？
• RQ3 高阶QCD修正如何影响$WWjj$与三规范玻色子过程对非标准四规范耦合的敏感度？
• RQ4 在异常耦合情景下，$m_{jj}$与$m_{\ell\ell}$等微分分布的预测在三种蒙特卡洛生成器之间的一致性如何？
• RQ5 是否存在系统性偏差，可能表明高维算符实现中存在不一致？

主要发现

• MadGraph5、VBFNLO与WHIZARD在$pp \to W^+W^+jj$与$pp \to e^+\nu_e\gamma\gamma$过程的积分截面预测中表现出亚百分之一水平的一致性，偏差在统计不确定度范围内。
• 对于$pp \to e^+\nu_e\gamma\gamma$过程，在异常耦合$M2$下，积分截面分别为1.8172(5) fb（VBFNLO）与1.8012(8) fb（MadGraph5），差异小于0.9%。
• $m_{jj}$与$m_{\ell\ell}$的微分分布三者之间表现出极佳的一致性，未观察到系统性偏移；偏差与统计涨落一致。
• $m_{\ell\ell}$分布显示在高不变质量区显著上升，而$m_{jj}$基本保持不变，反映出$WW$与轻子对质量之间的直接关联。
• POWHEG BOX对$WWjj$产生的高阶QCD修正实现与VBFNLO行为一致，证实了在非标准模型研究中高阶修正的可靠性。
• 本研究证实，三种蒙特卡洛工具为LHC上非标准电弱相互作用的研究提供了统一且可靠的框架，支持实验与理论模型之间的稳健比较。