[论文解读] The Standard Model effective field theory at work

Gino Isidori, Felix Wilsch+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文全面回顾了标准模型有效场论（SMEFT）作为探索标准模型之外物理学的系统性框架。文中详细阐述了SMEFT的构建过程，包括算符基的选择、匹配程序以及跑动方程的演化，通过具体实例展示了其在低能物理与高pT现象学中的应用。

ABSTRACT

The striking success of the Standard Model in explaining precision data and, at the same time, its lack of explanations for various fundamental phenomena, such as dark matter or the baryon asymmetry of the universe, suggests new physics at an energy scale much larger than the electroweak scale. In the absence of a short-range-long-range conspiracy, the Standard Model can be viewed as the leading term of an effective "remnant" theory (referred to as the SMEFT) of a more fundamental structure. Over the last years, many aspects of the SMEFT have been investigated and it has become a standard tool to analyze experimental results in an integral way. In this article, after briefly presenting the salient features of the Standard Model, we review the construction of the SMEFT. We discuss the range of its applicability and bounds on its coefficients imposed by general theoretical considerations. Since new physics models are likely to exhibit exact or approximate accidental global symmetries, especially in the flavor sector, we also discuss their implications for the SMEFT. The main focus of our review is the phenomenological analysis of experimental results. We show explicitly how to use various effective field theories to study the phenomenology of theories beyond the Standard Model. We give a detailed description of the matching procedure and the use of the renormalization group equations, allowing to connect multiple effective theories valid at different energy scales. Explicit examples from low-energy experiments and from high-$p_T$ physics illustrate the workflow. We also comment on the non-linear realization of the electroweak symmetry breaking and its phenomenological implications.

研究动机与目标

• 建立SMEFT作为系统且一致的框架，用于描述电弱尺度以上能量尺度的新物理。
• 阐明SMEFT算符基的构建，包括华沙基及其对退化算符的处理。
• 分析对SMEFT系数的理论约束，如幺正性、正定性以及规范异常抵消。
• 展示从UV完备的新物理模型到SMEFT的匹配过程，以及利用跑动方程连接不同能量尺度的方法。
• 说明SMEFT在低能实验与高pT对撞机搜索中的现象学应用，包括全局拟合与Drell-Yan尾部分析。

提出的方法

• 使用华沙基构建SMEFT中高维算符的非冗余集合，确保完备性与最小性。
• 采用维度调节配合（半）朴素维度调节（NDR）方案处理D维空间中的γ₅矩阵，包括对迹模糊性的一致处理。
• 应用区域法分离紫外与红外发散，实现有效场论的自动重整化，并简化跑动方程的推导。
• 实施图解法与函数匹配技术，将UV模型与弱能标处的SMEFT关联。
• 利用跑动方程将SMEFT系数从弱能标演化至低能，连接至低能有效理论（LEFT）。
• 通过Higgs有效场论（HEFT）分析电弱对称性自发破缺的非线性实现，以及标量 sector 的几何表述。

Figure 1: Pulls of the electroweak observables as obtained by a global SM fit, namely differences between SM predictions and direct measurements, normalized to the experimental uncertainties. From [ 218 ] see also [ 217 ] .

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统地构建SMEFT作为在新物理尺度以下有效的有效场论？
• RQ2 哪些理论约束——如幺正性、正定性以及规范异常——限制了SMEFT威尔逊系数的取值范围？
• RQ3 偶然全局对称性（如味对称性或客易对称性）如何约束SMEFT算符及其跑动行为？
• RQ4 将UV新物理模型匹配至SMEFT的正确程序是什么？如何通过跑动方程演化得到的SMEFT？
• RQ5 如何利用SMEFT解释低能过程与高pT对撞机搜索的实验数据，包括全局拟合？

主要发现

• 在华沙基下的SMEFT提供了一个非冗余、完备且规范不变的框架，可用于描述电弱尺度以上能量的新物理。
• 区域法可实现紫外与红外发散的清晰分离，确保有效场论的自动重整化，并简化跑动方程的推导。
• 退化算符对跑动方程演化与物理振幅有贡献，其效应在区域法的紫外区域中被完全编码。
• 在维度调节中使用NDR方案处理γ₅矩阵对本综述目的而言已足够，尽管其在含奇数个γ₅矩阵的迹中引入了读取点模糊性。
• 通过图解法与函数方法将新物理模型匹配至SMEFT，可实现UV理论与低能可观测量之间的一致关联。
• 在高pT下利用SMEFT进行全局拟合（如Drell-Yan尾部）表明对标准模型之外的新物理具有敏感性，实验数据已导出对SMEFT系数的约束。

Figure 3: The Feynman diagram on the left-hand side shows a process in the UV theory generating the effective four-fermion operator shown on the right-hand side. The solid lines represent SM fermions, whereas the dashed line denotes a heavy bosons (either vector or scalar).