[论文解读] Probing top quark neutral couplings in the Standard Model Effective Field Theory at NLO QCD

O. Bessidskaia Bylund, Fabio Maltoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用 30

一句话总结

本文在标准模型有效场论（SMEFT）框架下，针对大型强子对撞机（LHC）上顶夸克对与Z玻色子或光子的联合产生过程，首次给出了下一阶修正（NLO）QCD修正，涵盖所有相关的CP偶极数六维算符。研究提供了总截面和微分截面的精确预测，并生成了与部分子喷射匹配的NLO事件，可直接用于实验分析，显著提升了对标准模型之外新物理的探测灵敏度。

ABSTRACT

Top quark pair production in association with a $Z$-boson or a photon at the LHC directly probes neutral top-quark couplings. We present predictions for these two processes in the Standard Model (SM) Effective Field Theory (EFT) at next-to-leading (NLO) order in QCD. We include the full set of CP-even dimension-six operators that enter the top-quark interactions with the SM gauge bosons. For comparison, we also present predictions in the SMEFT for top loop-induced $HZ$ production at the LHC and for $t\bar{t}$ production at the ILC at NLO in QCD. Results for total cross sections and differential distributions are obtained and uncertainties coming from missing higher orders in the strong coupling and in the EFT expansions are discussed. NLO results matched to the parton shower are available, allowing for event generation to be directly employed in an experimental analyses. Our framework provides a solid basis for the interpretation of current and future measurements in the SMEFT, with improved accuracy and precision.

研究动机与目标

• 在SMEFT框架下，为LHC上顶夸克对与Z玻色子或光子的联合产生过程提供精确的NLO QCD预测。
• 包含影响顶夸克与标准模型规范玻色子耦合的所有CP偶极数六维算符。
• 通过提供与部分子喷射匹配的NLO预测，实现与实验数据的直接比较，支持事件级分析。
• 评估SMEFT中缺失高阶QCD和EFT展开所导致的理论不确定性。
• 将框架扩展至包含顶夸克圈诱导的HZ产生以及国际线性对撞机（ILC）上的$e^+e^-$ $t\bar{t}$产生，用于对比灵敏度分析。

提出的方法

• 利用MadGraph5_aMC@NLO框架，计算$pp \to t\bar{t}Z$、$pp \to t\bar{t}\gamma$、$gg \to HZ$和$e^+e^- \to t\bar{t}$过程在SMEFT中的NLO QCD修正。
• 包含所有涉及顶夸克与SM规范玻色子的CP偶极数六维算符，如$\mathcal{O}_{\varphi Q}^{(1,3)}$、$\mathcal{O}_{\varphi t}$、$\mathcal{O}_{tW}$和$\mathcal{O}_{tB}$。
• 将NLO结果与部分子喷射模拟匹配，生成可用于实验的全微分事件样本。
• 使用有效算符的威尔逊系数来参数化标准模型的偏离，并通过EFT匹配将其与异常耦合关联。
• 应用与ATLAS和CMS测量一致的实验截断和运动学选择，包括$m_{\ell\ell} > 10$ GeV和$p_T(\gamma) > 20$ GeV。
• 量化来自尺度变化和EFT展开截断的不确定性，特别是对胶子磁偶极算符的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SMEFT中，NLO QCD修正如何影响LHC上$t\bar{t}Z$和$t\bar{t}\gamma$产生的总截面和微分截面？
• RQ2 胶子磁偶极算符对$t\bar{t}Z$和$t\bar{t}\gamma$过程的影响是什么？为何其包含至关重要？
• RQ3 SMEFT对$t\bar{t}Z$和$t\bar{t}\gamma$的预测与现有LHC测量相比如何，特别是在归一化截面比方面？
• RQ4 ILC上的$t\bar{t}$产生与顶夸克圈诱导的$HZ$产生在多大程度上可作为顶夸克中性耦合的互补探测手段？
• RQ5 缺失高阶QCD和EFT展开所导致的理论不确定性，如何影响这些过程中SMEFT信号的解释？

主要发现

• 本研究首次给出了LHC上$pp \to t\bar{t}\gamma$过程的NLO QCD预测，SM截面为$604.0(3)^{+234.1}_{-154.8}$ fb（要求$p_T(\gamma) > 20$ GeV）。
• 对于$t\bar{t}Z$产生，SM截面为$226.5(6)^{+15.1}_{-25.3}$ fb，考虑$Z \to \ell^+\ell^-$分支比后，$\sigma_{\text{ATLAS}}^{\text{SM}}(t\bar{t}Z) = 238.1(6)^{+16.6}_{-26.8}$ fb。
• 在13 TeV下，计算得到比率$R^{t\bar{t}Z}_{\text{ATLAS}} = 0.0413(1)^{+0.0003}_{-0.0001}$，可直接与ATLAS测量结果对比。
• 在13 TeV下，提供比率$R^{t\bar{t}\gamma}_{\text{CMS}} = 0.4531(4)^{+0.0015}_{-0.0011}$，可用于与CMS的$t\bar{t}\gamma$数据对比。
• 胶子磁偶极算符（$\mathcal{O}_{tW}, \mathcal{O}_{tB}$）对$t\bar{t}Z$和$t\bar{t}\gamma$过程均有显著贡献。
• 已生成并公开了与NLO匹配的部子喷射事件，可直接用于实验分析，显著提升对EFT信号的探测灵敏度。