top quark couplings in smeft: nlo prediction and global fit

SMEFT NLO predictions Global fit for LHC Indirect measurements at CEPC Summary

Top quark couplings in SMEFT:NLO prediction and global fit

Cen Zhang

Institute of High Energy PhysicsChinese Academy of Sciences

January 21 2019HKUST

Based on 1809.03520 with G. Durieux, J. Gu, E. Vryonidouand 1901.05965 with N. P. Hartland, F. Maltoni,E. R. Nocera, J. Rojo, E. Slade, E. Vryonidou

Cen Zhang (IHEP) Top NLO fits Jan. 21 1


Outline

SMEFT

NLO predictions

Global fit for LHC

Indirect measurements at CEPC

Summary



Outline

SMEFT

NLO predictions

Global fit for LHC


Summary



Standard Model Effective Field Theory



Higgs and EW[Ellis, Murphy, Sanz and You, ’18]

[Biekotter, Corbett and Plehn, ’18]

[J. de Blas et al., ’17]

[A. Butter et al., ’16]

. . . . . .Top[A. Buckley et al.(TopFitter), ’16]

[S. Brown et al.(TopFitter), ’18]

[Cirigliano, Dekens, de Vries, Mereghetti, ’16]

[Alioli, Cirigliano, Dekens, de Vries, Mereghetti, ’17]

. . . . . .Flavor[Falkowski, Gonzalez-Alonso, Miouni, ’17]

. . . . . .Future colliders[Ellis, Roloff, Sanz, You, ’17]

[Durieux, Grojean, Gu, Wang, ’17]

[Chiu, Leung, Liu, Lyu, Wang, ’17]

. . . . . .



Outline

SMEFT

NLO predictions

Global fit for LHC


Summary



Why going NLO

• SMEFT is renormalizable order by order in 1/Λ.

• We need higher-order corrections to control THuncertainties for two classes of reasons:

• Same as for SM: QCD corrections are important at hadroncolliders; EW corrections are important for accuracy and forspecific areas of phase space and observables; NLOcorrections affect normalization, shapes, scale and PDFuncertainties.

• Specific issues for SMEFT at dim>4: NLO could be the firstorder where non-trivial EFT structure becomes manifest:mixing, µEFT dependence, new contributions arise at NLO,. . .



Shapes change at NLO (single top, tbW operators)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

LO (3)

QφO NLO(3)

QφO

LO tWO NLOtWO

tdyσσd t-channel single top

LHC13, (N)LO+PYTHIA

0.81

1.21.4 NLO LO

(3)QφO

4− 3− 2− 1− 0 1 2 3 40.8

11.21.4 NLO LOtWO

ty

Mad

Gra

ph5_

aMC

@N

LO

[CZ, ’16]

K factor different from SM (in pp → t tγ)

dσ

/dp

T [

pb

/bin

]

ttγ, LHC13

µ=mt, CtB=4, Λ=1 TeV

pT(γ) > 20 GeV σSM,NLO

σSM,LO

σSM,NLO+CσNLO(1)

σSM,LO+CσLO(1)

0.01

0.1

1

MadGraph5_aMC@NLO

Κ(σ

SM

)

0.5

1

1.5

Κ(σ

(1) )

0.5

1

1.5

R

pT(γ) [GeV]

0.4 0.7

1 1.3

0 50 100 150 200 250 300 350

Κ(σ(1)

)/Κ(σSM)

[Bylund,Maltoni,Tsinikos,Vryonidou,CZ, ’16]



New operators arise at NLOκλ at LHC [G. Degrassi et al., ’16] [Gorbahn&Haisch, ’16]

κλ at e+e− [M. McCullough, ’13] [S. D. Vita et al., ’17]

See also [J. Nakamura and A. Shivaji, ’18] for“direct” measurement through loops.



New operators arise at NLOTop loops in Higgs processes

[E. Vryonidou and CZ, ’18]

Potentially large effects:σloop

σtree∼ αEW

Ctop

CHiggs

given that top operatorconstraints are in generalmuch weaker.



Status for top processes

Now automatic in MADGRAPH5_AMC@NLO at NLO+PS



shell> ./bin/mg5MG5_aMC> import model TopEFTMG5_aMC> generate p p > t t∼ Z EFT=1 [QCD]MG5_aMC> output some_DIRMG5_aMC> launch



u~ u > h t t~ WEIGHTED=9 EFT=1 QED=1 QCD=2 [ all= QCD ] page 6/17

Diagrams made by MadGraph5

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loop diagram 31 EFT=1, QCD=4, QED=1

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t~h

3

t~


g1

t4

t~

t~ 5

g

h3

tt

g2




g1

t4

t~

t~ 5g

h3

g2

tt


g1

t

4

t~

t~ 5

g

h3

g2

t


g2 h 3

g

g1

t~5

t

t4

g

tt


g1

t~5

t

t 4g

g2

t

th

3

t


g1

t~5

t

t 4g

g2

t

th

3

t


g1

t~5

t

t 4g

g2

t

th

3

t


g1

t~5

t

t 4g

g2

t

th

3

t


g1

t~5

t

t 4g

g2

t

th

3

t


g1

t~5

t

t 4g

g2

t

th

3

t


g1

t~5

t

t4g

g2

tth

3


g1

t~5

t

t 4g

g2

t~

t~h

3

t~


g1

t~5

t

t 4g

g2

t~

t~h

3

t~


g1

t~5

t

t 4g

g2

t~

t~h

3

t~


g1

t~5

t

t 4g

g2

t~

t~h

3

t~


g1

t~5

t

t 4g

g2

t~

t~h

3

t~




dσ

/dp

T [pb/b

in]

ttZ, LHC13

NLO, µ=mt, CtG=1, Λ=1 TeVσSM

σSM+Cσ(1)

σSM+Cσ(1)

+C2σ

(2)

0.01

0.1

MadGraph5_aMC@NLO

1+

Cσ

(1) /σ

SM

1 1.6 2.2

σ/σ

SM

pT(Z) [GeV]

1 1.6 2.2

0 50 100 150 200 250 300 350 400



For more details, see. . .

Processes Operators Refs

FCNC production tqX , X = g, γ,Z , h [Degrande,Maltoni,Wang,CZ,’14]

t t chromo-dipole [D.B.Franzosi,CZ,’15]

single t (s-&t-channel+tW) tbW couplings [CZ,’16]

ttZ ,ttγ,(gg → HZ ) ttX ,X = Z , γ, g [O.B.Bylund et al,’16]

ttH chromo, ggH, top Yukawa [Vryonidou,Maltoni,CZ,’16]

e+e− → t t ttX , 4-fermion [G. Durieux,’17]

(Higgs production) EW/Higgs [C. Degrande et al.,’16]

tHj, tZj, (tγj) all above plus EW and Higgs plus 4-fermion [C.Degrande et al.,’18]

Full SMEFT@NLO coming soon!


https://arxiv.org/abs/1412.5594









Towards EW corrections in the same frameworkTop loops, as a first step:



Towards EW corrections in the same framework

WH,ZH VBF

=

=

+

+

+

+

+

+ +

W,Z masses, oblique paretmers

H bb

+ +=

= +++

[E. Vryonidou, CZ, ’18]



Outline

SMEFT

NLO predictions

Global fit for LHC


Summary



The SMEFiT framework

• In collaboration withNathan P. Hartland,Fabio Maltoni,Emanuele R. Nocera,Juan Rojo, Emma Slade,Eleni Vryonidou.

• Fitting approach based onNNPDF.

• Theory framework consistentwith the LHC Top WG EFTrecommendation.[J. Aguilar Saavedra et al.,’18]

• TH predictions generated byEFT@NLO withMADGRAPH5_AMC@NLO.




The SMEFiT framework

from talk by E. Vryonidou



Inputs



Preliminary results

95% CL bound on 34 DOFs. With correlation⇒Gray Marginalised

Red Individual

Blue Previous boundsO

tGO

81

qq

O1

1q

qO

83

qq

O1

3q

qO

8q

tO

1q

tO

8u

tO

1u

tO

8q

uO

1q

uO

8d

tO

1d

tO

8q

dO

1q

dO

tWO

QQ

1O

QQ

8O

Qt1

OQ

tQb

1O

QtQ

b8

OQ

t8O

Qb

1O

Qb

8O

tt1

Otb

1O

tb8

Otp

Op

QM

Ofq

3O

pt

Off

OtZ

Ob

W

OtGO81qqO11qqO83qqO13qq

O8qtO1qtO8utO1utO8quO1quO8dtO1dtO8qdO1qdOtW

OQQ1OQQ8OQt1

OQtQb1OQtQb8

OQt8OQb1OQb8

Ott1Otb1Otb8

OtpOpQM

Ofq3OptOff

OtZObW −1.0

−0.5

0.0

0.5

1.0



Preliminary results

• NLO vs. LO

• SM×Dim6+Dim62

vs. SM×Dim6 only

σ =σSM +∑

i

ciσi

Λ2

+

∑ij

ci cjσij

Λ4

+O(Λ−4)

• Mtt distribution (withbins above 1 TeV,potentially dangerousfor ΛBSM ∼ 1 TeV)vs. ytt .



Validation

Left Minimisation and stopping: in each MC replica, data israndomly split into training and validation sets. The latter ismonitored during the fit, to avoid over-fitting.

Right Closure test: Pseudo-data generated a BSM assumption:c8

tu/Λ2 = 20 TeV−2, is successfully reproduced by the fit.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000Iteration number

0

50

100

150

200

250

300

E

Stopping pointTrainingValidation

OtG

O81

qqO

11qq

O83

qqO

13qq

O8q

tO

1qt

O8u

tO

1ut

O8q

uO

1qu

O8d

tO

1dt

O8q

dO

1qd

OtW

OQ

Q1

OQ

Q8

OQ

t1O

QtQ

b1O

QtQ

b8O

Qt8

OQ

b1O

Qb8

Ott1

Otb

1O

tb8

Otp

OpQ

MO

fq3

Opt Off

OtZ

ObW

−30

−20

−10

0

10

20

30

c i/Λ

2(T

eV−

2)

SM value95% confidence interval



Outline

SMEFT

NLO predictions

Global fit for LHC


Summary



Probing top quark indirectly at CEPC

• A global analysis should include Higgs couplings, TGCs and top couplings.



Probing top quark indirectly at CEPC• In this work the fitting framework is based on [Durieux, Grojean, Gu, Wang, ’17]

talk by G. Durieux



Improvement on top operators




[Durieux, Perello, Vos, CZ, ’18]



Contamination in Higgs operators



Outline

SMEFT

NLO predictions

Global fit for LHC


Summary



• TH predictions in SMEFT are automated at NLO in QCD. NLOEW corrections are planned.

• The SMEFiT fitting framework is ideal for global SMEFTanalysis.

• A first study including top quark data at LHC Run II hasbeen presented.

• More constraints will be taken into account in the future.

• NLO EW corrections from top loops provide indirect sensitivitiesto top couplings, from Higgs/EW data.

• Precise knowledge of the top quark is indispensable forprecision Higgs coupling determination.



Thank you for your attention



Backups



LHC TOP WG EFT standards

[J. Aguilar Saavedra et al.,’18]




Interpreting top LHC measurements

• Reduce the number of OPs to start with (avoid 500+ 4-fermionOPs):

Baseline U(2)q × U(2)u × U(2)d :Forces the first two generation to appear as qq, uu, dd .

Extended U(2)q+d+u :Allows right-handed ud and light chirality flipping ones qu, qd .

Restricted Top-philic:All operators with SM bosons and (just) top. (and reduced toWarsaw basis)








• Define the relevant degrees of freedom natural for top physics,and fix notations. Useful for not only EXP analysis, but also THfits with potentially many parameters and flat directions.


Top-specific d.o.f. definitionsMatch SM interference structuresand interactions with physical gauge bosons

•(

O1(33)ϕq

O3(33)ϕq

)=(

(ϕ†i←→D µϕ)(q3γµq3)

(ϕ†i←→D Iµϕ)(q3γ

µτ Iq3)

)=

−1 11 10 10 1

T

+e2sw cw

(tγµPLt) Zµ (v + h)2−e

2sw cw(bγµPLb) Zµ (v + h)2

g√2 (tγµPLb) W +

µ (v + h)2g√2 (bγµPLt) W−

µ (v + h)2

c−ϕQ ≡ C1(33)ϕq − C3(33)

ϕq enters in pp → ttZc3ϕQ ≡ C3(33)

ϕq enters in t → bW +

c+ϕQ ≡ C1(33)

ϕq + C3(33)ϕq enters in e+e− → bb (or pp → bbZ)

•

O1(ii33)qq

O1(i33i)qq

O3(ii33)qq

O3(i33i)qq

=

1 1/6 0 1/20 1/6 1 −1/60 1 0 30 1 0 −1

T

(qiγµqi )

(QγµQ

)(qiγ

µτ Iqi) (

Qγµτ IQ)

(qiγ

µT Aqi) (

QγµT AQ)

(qiγ

µτ IT Aqi) (

Qγµτ IT AQ)

c1,1Qq ≡ C1(ii33)

qq + 16C1(i33i)

qq + 12C3(i33i)

qq interferes with EW NCc3,1

Qq ≡ C3(ii33)qq + 1

6 (C1(i33i)qq − C3(i33i)

qq ) interferes with EW CCc1,8

Qq ≡ C1(i33i)qq + 3C3(i33i)

qq , interferes with QCDc3,8

Qq ≡ C1(i33i)qq − C3(i33i)

qq doesn’t interfere with EW CC

6







• Define the relevant degrees of freedom natural for top physics,and fix notations. Useful for not only EXP analysis, but also THfits with potentially many parameters and flat directions.

• Provide simulation tools and benchmarks: DIM6TOPhttps://feynrules.irmp.ucl.ac.be/wiki/dim6top


https://feynrules.irmp.ucl.ac.be/wiki/dim6top


Anomalous couplings

Insufficiencies:• miss four-fermion operators,• conflict with gauge invariance, do not allow for radiative corrections to be

computed,• complex couplings where the tree-level EFT prescribes real ones,• hide correlations induced by gauge invariance, preclude the combination of

measurements in various sectors.



How it works

Dim-6 UVCT: MSbar

Dim-4 UVCT: on-shellMW ,Z & GF

R2: KKSfor γ5

(FEYNARTS

+FEYNCALC)

UFO withEW NLO

(LO) SMUFO

Generate LOSM events

(unweighted)

For eachevent:

recomputeloops in EFT

Weighted eventsfor NLO EFT

Reweightingmoduleof MG5

based on[Olivier, ’16]



RG mixing

Oϕt O(+)ϕQ O(−)

ϕQ Oϕtb OtW OtB Otϕ

OϕWB1

3sW cW1

3sW cW− 1

6sW cW0 − 5yt

2ecW− 3yt

2esW0

OϕD −6y2t

e2 3y2t −y2

be2 3

y2t −y2

be2 −6

yt ybe2 0 0 0

Oϕ� − 32

y2t

e2 −3y2

t +6y2b

2e26y2

t +3y2b

2e2 3yt ybe2 0 0 0

OϕW 0 14s2

W− 1

4s2W

0 3yt2esW

0 0

OϕB1

3c2W

112c2

W

112c2

W0 0 5yt

2ecW0

OW 0 1esW

− 1esW

0 0 0 0

OB4

3ecW1

3ecW1

3ecW0 0 0 0

Obϕ 0 − yb2c2

Wyb

−4λ+3y2t +7y2

b4e2

3yt4s2

W

yt yb2esW

03yt yb4e2

+yb8λ−3y2

t −5y2b

4e2 −yt2λ+y2

t −6y2b

2e2

Oµϕ 0 −3yµ(y2

t +y2b )

2e23yµ(y2

t +y2b )

2e23yt ybyµ

e2 0 03yt yµ

2e2

Oτϕ 0 −3yτ (y2

t +y2b )

2e23yτ (y2

t +y2b )

2e23yt ybyτ

e2 0 0 3yt yτ2e2

Consistent with [Alonso, Jenkins, Manohar, Trott]



Renormalization

• Dim-6 coefficients are subtracted by MSbar, except forCϕWB and CϕD, which enter precision EW measurements.

• SM is renormalized in the MW , MZ and GF scheme, butdim-6 modifications enter.

• In particular we want to fix MW because it enters the phase space.

• “Perfect precision EW measurements” would implyCϕWB = CϕD = 0 in a tree-level analysis.

• This cannot be done in MSbar scheme at one-loop level, becausethe top-quark operators will contribute to precision EW tests.



Renormalization

• “On-shell” renormalization using precision EW data, by thefollowing procedures:

• Add additional counter terms for CϕWB , CϕD .

• Use Z - and W -pole data to perform a global fit, which involvesCϕWB , CϕD , and all top operators at one loop.

• In the resulting χ2, the two tightest constraints are on two linearcombinations of CϕWB , CϕD and top-operator coefficients.

• We adjust the counter terms so that the top-operator couplingsdrop out from these combinations.

• In this specific scheme, “perfect precision measurements”corresponds to exactly CϕWB = CϕD = 0.

• One indirect constraint remains and can be combined to ourglobal fit.



Diboson production at one-loop

• e+e− →W +W− can be added inthe same way.

• Dim-6 contribution to γWW leads toanomaly.

• In our scheme (KKS) this is reflectedby the R2 dependence on the“reading point” when tracing the toploop. E.g.

O(−)ϕQ :

e3v2

48π2s2W Λ2

εµνρσ(p2σ − p3σ) γεµνρσ(p3σ − p1σ) W +

εµνρσ(p1σ − p2σ) W−

• This is fixed by adding aWess-Zumino-Witten term.



Limitation

• For-fermion ttll operators are neglected so far.

• CP conserving only.

• Production + decay not yet available.


top quark couplings in smeft: nlo prediction and global fit

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