[论文解读] NNLO event generation for $\boldsymbol{pp o Zh o \ell^+\ell^- b \bar b}$ production in the SM effective field theory

Ulrich Haisch, Darren J. Scott+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种用于标准模型有效场论（SMEFT）中 $pp \to Zh \to \ell^+\ell^- b\bar{b}$ 产生过程的下一阶下一阶（NNLO）+部分子喷泉（PS）蒙特卡罗事件生成器，整合了来自六个六维算符的QCD修正，包括有效Yukawa和胶子磁偶极相互作用。关键结果表明，在当前实验约束下，SMEFT算符的高阶QCD效应对总截面的影响小于百分之一，而反不变质量 $m_{b\bar{b}}$ 和三喷泉质量 $m_{b\bar{b}j}$ 由于其依赖于喷泉定义的形状变化，成为探测SMEFT效应的敏感可观测量。

ABSTRACT

We consider associated $Zh$ production with $Z o \ell^+ \ell^-$ and $h o b \bar b$ decays in hadronic collisions. In the framework of the Standard Model effective field theory (SMEFT) we calculate the QCD corrections to this process and achieve next-to-next-to-leading order plus parton shower (NNLO$+$PS) accuracy using the MiNNLO$_{ m PS}$ method. This precision is obtained for a subset of six SMEFT operators, including the corrections from effective Yukawa- and chromomagnetic dipole-type interactions. Missing higher-order QCD effects associated with the considered dimension-six operators are estimated to have a relative numerical impact of less than a percent on the total rate once existing experimental limits on the relevant Wilson coefficients are taken into account. We provide a dedicated Monte Carlo (MC) code that evaluates the NNLO SMEFT corrections on-the-fly in the event generation. This MC generator is used to study the numerical impact of NNLO$+$PS corrections on the kinematic distributions in $pp o Zh o \ell^+ \ell^- b \bar b$ production employing simple SMEFT benchmark scenarios. We identify the invariant mass $m_{b \bar b}$ of the two $b$-tagged jets as well as the three-invariant jet mass $m_{b \bar b j}$ as particularly interesting observables to study SMEFT effects. These distributions receive contributions that change both their normalisation and shape with the latter modifications depending on the exact jet definition. To our knowledge SMEFT effects of this type have so far not been discussed in the literature. The presented MC generator can also serve as a starting point to obtain NNLO$+$PS accuracy for a suitable enlarged set of effective operators in the future.

研究动机与目标

• 在SMEFT中实现 $pp \to Zh \to \ell^+\ell^- b\bar{b}$ 产生的NNLO + 部分子喷泉精度，包括相关六维算符的QCD修正。
• 评估SMEFT算符的高阶QCD修正对微分分布的数值影响，特别关注对新物理敏感的运动学可观测量。
• 开发专用的蒙特卡罗生成器，在事件生成过程中实时计算NNLO SMEFT修正，以支持高精度拟合物理研究。
• 识别并分析通过归一化和形状变化对SMEFT效应敏感的可观测量，特别是那些依赖于喷泉定义的可观测量。

提出的方法

• 采用MiNNLO PS方法，在SMEFT中实现 $pp \to Zh \to \ell^+\ell^- b\bar{b}$ 的QCD修正的NNLO + PS精度。
• 计算包括六个六维SMEFT算符的QCD修正，特别是那些贡献于有效Yukawa和胶子磁偶极型相互作用的算符。
• 在蒙特卡罗生成器中实现SMEFT修正，使其在事件生成过程中实时计算NNLO修正，从而实现完全微分的预测。
• 使用该生成器研究NNLO + PS修正对运动学分布的影响，基于基准SMEFT情景进行分析。
• 通过现有实验对威尔逊系数的限制，对缺失的高阶QCD效应进行理论估计，以约束其相对数值影响。
• 分析聚焦于$b$-标签喷泉的反不变质量 $m_{b\bar{b}}$ 和三喷泉反不变质量 $m_{b\bar{b}j}$，作为SMEFT敏感性的关键可观测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 SMEFT算符的NNLO QCD修正对 $pp \to Zh \to \ell^+\ell^- b\bar{b}$ 产生过程中总截面和微分分布的数值影响是什么？
• RQ2 SMEFT效应如何改变 $m_{b\bar{b}}$ 和 $m_{b\bar{b}j}$ 反不变质量分布的形状？这种影响如何依赖于喷泉定义？
• RQ3 在当前对威尔逊系数的实验约束下，SMEFT算符的高阶QCD修正在精度SMEFT分析中在多大程度上可以被忽略？
• RQ4 $m_{b\bar{b}}$ 和 $m_{b\bar{b}j}$ 分布能否作为SMEFT框架下超越标准模型新物理的敏感探针？
• RQ5 有效Yukawa和胶子磁偶极型相互作用在NNLO + PS精度下对微分分布的形成起到何种作用？

主要发现

• 当应用现有对威尔逊系数的实验限制时，所考虑SMEFT算符缺失的高阶QCD修正对总截面的相对数值影响小于1%。
• 两个$b$-标签喷泉的反不变质量 $m_{b\bar{b}}$ 被识别为特别敏感的可观测量，因其同时受到SMEFT效应引起的归一化和形状变化的影响。
• 三喷泉反不变质量 $m_{b\bar{b}j}$ 同样表现出依赖于特定喷泉定义的形状变化，这一特征在SMEFT文献中此前尚未被讨论。
• $m_{b\bar{b}}$ 和 $m_{b\bar{b}j}$ 分布均受到SMEFT的归一化和形状修正，其中形状修正对喷泉重建细节敏感。
• $Q_{3G}$ 算符的N³LO修正对 $h \to b\bar{b}$ 周转宽度的贡献小于千分之一，因此在分析中可忽略不计。
• $Q_{HG}$ 算符的N³LO修正对包含式 $pp \to Zh$ 截面的贡献在95%置信水平下小于0.3%，证实其影响可忽略。