[論文レビュー] Beyond the Standard Model Physics at the HL-LHC and HE-LHC

X. Cid Vidal, M. D’Onofrio+295 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 47

ひとこと要約

この報告は、HL-LHC（14 TeV、3 ab^-1）および HE-LHC（27 TeV、15 ab^-1）における標準模型を超える物理学（BSM）の発見または制約の可能性を、SUSY、ダークマター、長寿命粒子、レプトーク、ステリーニュートリノ、アクシオン様粒子、及び重い共鳴状態を含む幅広いモデルに対して調査します。

ABSTRACT

This is the third out of five chapters of the final report [1] of the Workshop on Physics at HL-LHC, and perspectives on HE-LHC [2]. It is devoted to the study of the potential, in the search for Beyond the Standard Model (BSM) physics, of the High Luminosity (HL) phase of the LHC, defined as $3~\mathrm{ab}^{-1}$ of data taken at a centre-of-mass energy of $14~\mathrm{TeV}$, and of a possible future upgrade, the High Energy (HE) LHC, defined as $15~\mathrm{ab}^{-1}$ of data at a centre-of-mass energy of $27~\mathrm{TeV}$. We consider a large variety of new physics models, both in a simplified model fashion and in a more model-dependent one. A long list of contributions from the theory and experimental (ATLAS, CMS, LHCb) communities have been collected and merged together to give a complete, wide, and consistent view of future prospects for BSM physics at the considered colliders. On top of the usual standard candles, such as supersymmetric simplified models and resonances, considered for the evaluation of future collider potentials, this report contains results on dark matter and dark sectors, long lived particles, leptoquarks, sterile neutrinos, axion-like particles, heavy scalars, vector-like quarks, and more. Particular attention is placed, especially in the study of the HL-LHC prospects, to the detector upgrades, the assessment of the future systematic uncertainties, and new experimental techniques. The general conclusion is that the HL-LHC, on top of allowing to extend the present LHC mass and coupling reach by $20-50\%$ on most new physics scenarios, will also be able to constrain, and potentially discover, new physics that is presently unconstrained. Moreover, compared to the HL-LHC, the reach in most observables will generally more than double at the HE-LHC, which may represent a good candidate future facility for a final test of TeV-scale new physics.

研究の動機と目的

• HL-LHCおよびHE-LHCにおけるBSMシナリオの広範な範囲に対する到達可能性を評価する。
• 将来の新物理探索に関連する検出器のアップグレード、系統的不確かさ、および新しい実験技術を分析する。
• 超対称性、ダークマター、長寿命粒子、フレーバー、および共鳴シグネチャの協調的な予測を提供する。

提案手法

• HL-LHC条件下でのオブジェクト再構成を見積もるため、詳細な検出器性能研究と高速シミュレーションを組み合わせて用いる。
• 様々な探索チャネルで信号と背景を推定するため、シミュレートされたイベントをイベント発生器とパートンショーと接続する。
• 断面積とアップグレードされた検出器性能に基づくスケールファクターを適用して、現在の解析をHL-LHC/HE-LHCへ外挿する。
• 現在の解析と大規模データセットに向けた見通しの改善に基づく系統的不確かさの考慮を組み込む。
• SUSY、DM/ダークセクター、LLP、フレーバー、共鳴の全領域を横断する統一的な枠組みの中で結果を要約する。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCおよびHE-LHCにおけるグリュイノの到達可能性はどの程度か、第三世代のスクワンの到達性はどうなるか。
• RQ2 アップグレードされた検出器と高いルミノシティは、エレクトウィークイノ、 sleptons、圧縮スペクトルの感度にどう影響するか。
• RQ3 HL-LHC/HE-LHCにおけるダークマターとダークセクターのシグネチャ、モノジェット、ヘビーフ flavour、Higgsポータルシナリオを含む展望はどうか。
• RQ4 長寿命粒子の displaced vertices、消失トラック、または重荷荷電粒子による発見の可能性はあるか。
• RQ5 HL-LHC/HE-LHCの予測は、様々なモデルにおける高質量共鳴と新しいゲージボゾンをどのように制約するか。

主な発見

• HL-LHCの展望は、多くのNPシナリオで現在の質量・結合幅の到達範囲を約20-50%拡張する。
• HE-LHCの到達は、おおむねHL-LHCと比べてほとんどの観測量で2倍以上となり、TeVスケールのNPへの感度を高める。
• 検出器アップグレード、系統的不確かさの扱い、および新規解析技術の重要性を強調する。
• SUSYのトップパートナー、エレクトロウィークイノ、sleptons、ダークマター経路、LLP、レプトーク、重い共鳴など、広範なBSMシグネチャをカバーする。
• 結果は、現在は制約を受けていないモデルに対する潜在的な発見や強い制約を示唆する。