[论文解读] Simulation-based inference in the search for CP violation in leptonic WH production

R. F. Coelho Barrue, P. Conde-Muíño+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 38被引用 3

一句话总结

该论文评估了基于模拟的推断方法SALLY在LHC上探测轻子型Higgs辐射（WH）过程中CP破坏的敏感度。该方法将SALLY在探测器级动量变量上进行训练，与传统的能量和角度依赖的可观测量进行比较，结果表明：当线性威尔逊系数效应占主导时，SALLY表现最优；而当二次效应占主导时，$p_T^W$与$Q_\ell\cos\delta^+$的二维组合优于SALLY，使300 fb$^{-1}$亮度下的限制提高约25%。

ABSTRACT

Sources of CP violation beyond the Standard Model (BSM) are required to explain the baryonic asymmetry of the Universe. In this work, we study BSM CP-violating components in the HWW interaction in WH production, parametrized by an effective dimension-6 CP-odd operator. We explore a machine learning simulation-based inference method that estimates a detector-level optimal observable - SALLY - comparing it with energy-dependent and angular observables, exploring different binnings for their distributions. We show that in regions of phase space where the interference between SM and the effective operator dominates, a SALLY observable leads to optimal limits. In regions where effects of the quadratic term of the effective operator start becoming dominant, such an observable still leads to optimal limits. This work aims to test current multivariate techniques and inform analysis strategies for LHC Run 3 and beyond.

研究动机与目标

• 评估基于SALLY的模拟推断方法在LHC上探测轻子型WH产生中CP破坏的敏感度。
• 在维度6 CP奇算符的线性和二次贡献存在下，比较SALLY与传统的一维和二维动量可观测量（能量和角度依赖）的性能表现。
• 通过分离威尔逊系数中的线性和二次效应，为LHC Run 3确定最优分析策略。
• 通过真实探测器效应、部分子簇射和背景建模验证该方法的有效性。

提出的方法

• 研究采用标准模型有效场论（SMEFT）形式化方法，通过维度6 CP奇算符$\tilde{O}_{HW}$参数化CP破坏贡献，其威尔逊系数为$\tilde{c}_{HW}$。
• SALLY使用部分子级矩阵元、截面及其关于$\tilde{c}_{HW}$的梯度进行训练，以估计探测器级最优可观测量（得分），而无需对探测器或部分子簇射效应进行近似。
• 该方法将探测器级动量变量输入神经网络，损失函数基于联合得分$t(x,z_p) = \nabla_\theta \log p(z_p|\theta)$，在数据量无限时收敛至真实最优可观测量。
• 背景（如$t\bar{t}$、$W$+jets）通过展宽方法模拟，包含完整的探测器响应和部分子簇射效应，选择性切割在生成器级别应用。
• 通过线性化和完整似然比方法推导排除极限，以分离$\tilde{c}_{HW}$的线性和二次贡献。
• 统计分析在$\mathcal{L} = 300\ \text{fb}^{-1}$下，使用95%置信水平极限比较不同可观测量的敏感度，对能量和角度变量的分箱分布进行测试。

Figure 1 : Feynman diagram for WH associated production in the $\ell\nu b\bar{b}$ final state. The vertex of interest is circled in black.

实验结果

研究问题

• RQ1 在探测轻子型WH产生中的CP破坏时，SALLY方法与传统的一维和二维动量可观测量相比，其敏感度如何？
• RQ2 在哪些相空间区域中，SALLY表现最优，而二维可观测量组合反而更优？
• RQ3 不同可观测量对敏感度的贡献中，线性项与二次项在威尔逊系数中的相对重要性如何？
• RQ4 对能量和角度依赖可观测量采用不同的分箱策略，如何影响对$\tilde{c}_{HW}$的敏感度？
• RQ5 SALLY能否在不近似探测器或部分子簇射效应的前提下，有效捕捉完整的事件动量信息？

主要发现

• 当线性效应占主导时，SALLY的敏感度比使用$p_T^W$与$Q_\ell\cos\delta^+$的二维极限高约25%，证实其在该区域的最优性。
• 当二次效应变得显著时，$p_T^W$与$Q_\ell\cos\delta^+$的二维组合给出最紧的限制，比SALLY优约25%。
• 通过轻子电荷加权角度可观测量可增强其区分能力，从而提高分析的敏感度。
• SALLY方法在数据量无限时收敛至探测器级最优可观测量，表明其在使用完整动量信息训练时具有鲁棒性。
• 研究显示，当二次贡献占主导时，SALLY表现次优，原因在于其设计仅对线性信号分量最优。
• 本研究的代码基于MadMiner构建，已公开发布于GitHub，可供复现，并可扩展至其他过程或算符。

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