[论文解读] Using associated top quark production to probe for new physics within the framework of effective field theory

Brent Yates|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究利用CMS实验在13 TeV质子-质子碰撞中获得的41.5 fb⁻¹数据，通过有效场论（EFT）方法在顶夸克关联的多轻子末态中探测新物理。采用一种新颖的16个六维EFT算符的威尔逊系数二次参数化方法，对数据进行全局拟合，结果表明所有95%置信区间的范围均包含标准模型（SM）的零值，表明在当前灵敏度水平下未发现显著的新物理信号。

ABSTRACT

Signs of new physics are probed in the context of an Effective Field Theory using events containing one or more top quarks in association with additional leptons. Data consisting of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=$13 TeV was collected at the LHC by the CMS experiment in 2017. We apply a novel technique to parameterize 16 dimension-six EFT operators in terms of the respective Wilson coefficients (WCs). A simultaneous fit is performed to the data in order to extract the two standard deviation confidence intervals (CIs) of the 16 WCs. The Standard Model value of zero is completely contained in most CIs, and is not excluded by a statistically significant amount in any interval.

研究动机与目标

• 通过有效场论（EFT）形式化方法，在大型强子对撞机（LHC）的顶夸克产生过程中搜索标准模型（SM）之外的新物理。
• 通过质子-质子碰撞中多轻子末态的全局拟合，约束16个六维EFT算符。
• 开发并应用一种基于威尔逊系数的事件权重新颖二次参数化方法，以提高灵敏度并减少假设。
• 将系统性不确定性作为数据驱动的干扰参数处理，以最小化拟合中的理论偏差。
• 在保持事件级完全相关性的前提下，评估EFT效应对信号和背景过程的影响。

提出的方法

• 采用事件权重的二次参数化方法，将截面表示为威尔逊系数（WCs）的函数，同时包含标准模型（SM）、干涉项和纯EFT贡献。
• 该参数化由来自非零WCs模拟的结构常数（s₀, s₁, s₂, s₃）定义，实现逐事件的灵敏度建模。
• 使用dim6TopEFT模型在Leading Order下生成模拟，通过增加额外部分子以增强对EFT效应的敏感度。
• 在由轻子多重数、电荷和、喷胶子和b夸克喷胶子多重数定义的35个事件类别中执行轮廓似然拟合，并采用BDT方法分离本征和非本征轻子。
• 将系统性不确定性——包括误识别轻子、矩阵元匹配、缺失部分子和尺度变化——作为拟合中的干扰参数处理。
• 采用两种拟合程序：一种是其他所有WCs被轮廓化，另一种是将其固定为零，以评估结果的稳健性和灵敏度极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用13 TeV下顶夸克产生中多轻子末态的数据约束16个六维EFT算符的EFT效应？
• RQ2 观测数据在多大程度上排除了这些EFT算符威尔逊系数的SM值（零）？
• RQ3 EFT算符与系统性不确定性之间的相关性如何影响全局拟合的灵敏度？
• RQ4 二次参数化对威尔逊系数置信区间的形状有何影响？
• RQ5 当其他WCs在拟合中被轮廓化与固定为零时，结果有何不同？

主要发现

• 所有16个威尔逊系数的95%置信区间（2σ）均包含标准模型的零值，表明与SM预测无统计显著偏离。
• 当其他WCs被轮廓化时，单个WCs的1σ和2σ置信区间变宽，这是由于参数化的二次性质以及似然轮廓效应所致。
• 当其他WCs被固定为零时，$c_{\mathrm{tW}}$、$c_{\mathrm{t\varphi}}$ 和 $c_{\mathrm{\varphi t}}$ 的1σ区间更宽，反映出在极端情形下不确定性增加。
• 系统性不确定性——尤其是误识别轻子率和模拟建模——被作为数据驱动的干扰参数处理，从而减少了理论偏差。
• 所有35个类别的后拟合事件产额在数据与预测之间表现出良好一致性，残差在统计和系统性不确定范围内。
• 该分析证明了完全数据驱动的全局拟合方法在EFT约束中的有效性，且无需假设单一算符占主导地位。