[论文解读] Snowmass White Paper: prospects for the measurement of top-quark couplings

Gauthier Durieux, Abel Gutiérrez Camacho+7 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本Snowmass白皮书评估了利用标准模型有效场论（SMEFT）在未来的对撞机上测量顶夸克耦合的前景。该研究基于HL-LHC和正负电子对撞机的数据，对六维算符的威尔逊系数施加了约束，表明未来实验可显著提升对标准模型之外新物理的敏感度。

ABSTRACT

In this contribution to the 2021 Snowmass community planning exercise that informs the American strategy for particle physics, we present the prospects for measurements of the top-quark couplings at future colliders. Projections are presented for the high luminosity phase of the Large Hadron Collider and a future Higgs/electroweak/top factory electron-positron collider. Results are presented for the expected bounds on Wilson coefficients of the relevant SMEFT operators from a global fit to the top physics sector.

研究动机与目标

• 评估未来对撞机实验通过SMEFT框架对顶夸克耦合的敏感度。
• 基于HL-LHC和正电子-正电子对撞机的数据，预测六维算符系数的约束。
• 评估包含顶夸克和底夸克算符的全局拟合对新物理敏感度的影响。
• 比较不同未来对撞机方案（包括ILC、CLIC、CEPC和FCC-ee）在约束能力上的差异。
• 量化在SMEFT拟合中引入二次项后，对四夸克算符敏感度的提升程度。

提出的方法

• 使用SMEFT拉格朗日量，通过涉及顶夸克和底夸克的六维算符的威尔逊系数参数化新物理效应。
• 利用HEPfit软件包对拟合的实验数据进行全局拟合，重点关注算符系数的线性贡献。
• 在高能区引入扩展的分箱方式，对tt̄产生过程中的微分截面和电荷不对称性测量进行分析。
• 应用先前分析中的最优可观测量，以约束未来e⁺e⁻对撞机（如CEPC和FCC-ee）中的顶夸克区域能力。
• 为不同对撞机方案构建相关性矩阵，以评估参数空间中的退化现象和敏感度。
• 比较SMEFT拟合中包含与不包含二次项的结果，以评估盲方向和对四夸克算符的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 HL-LHC和未来e⁺e⁻对撞机通过SMEFT对顶夸克耦合偏差的预测敏感度如何？
• RQ2 在SMEFT拟合中引入二次项如何影响对四夸克算符的敏感度？
• RQ3 不同未来对撞机构型（如ILC、CLIC、CEPC、FCC-ee）对顶夸克区域能量算符的约束能力相对如何？
• RQ4 威尔逊系数之间的相关性如何影响区分新物理场景的能力？
• RQ5 未来对顶夸克和底夸克过程的测量在多大程度上能约束相同的SMEFT算符？

主要发现

• 与当前数据相比，HL-LHC预计可将顶夸克区域能量算符的威尔逊系数约束提高2至3倍。
• 能量为250 GeV的正负电子对撞机（ILC）可实现对顶夸克电弱耦合的敏感度，达到约10⁻³量级的威尔逊系数单位。
• CEPC和FCC-ee方案预计将提供最严格的约束，部分系数的预测不确定性低于0.005。
• 在SMEFT拟合中引入二次项可减少盲方向，并提升对四夸克算符的敏感度，特别是具有色 singlet 顶夸克流的算符。
• 相关性矩阵显示 $ C_{\text{φQ}}^{-} $、$ C_{\text{φt}} $ 和 $ C_{\text{lt}} $ 之间存在强相关性，表明联合测量对打破退化至关重要。
• 在微分截面和电荷不对称性测量中引入高能区分箱（最高达4000 GeV）可显著增强对特定SMEFT算符的敏感度。