[論文レビュー] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol 3 (2017): Physics at the FCC-hh, a 100 TeV pp collider

Michelangelo L. Mangano|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 51

ひとこと要約

本論文は、CERNにおける次世代施設として提案されている100 TeVプロトン-プロトン衝突機（FCC-hh）の素粒子物理学的ポテンシャルを提示する。標準模型を越える新しい物理を探索するための新粒子の発見可能性と精度測定を評価し、FCC-hhが数TeVのスケールまで新しい物理を高感度で探査可能であることを示しており、LHCの探査範囲を顕著に拡張するものである。

ABSTRACT

A 100 TeV pp collider is under consideration, by the high-energy physics community, as an important step for the future development of our field, following the completion of the LHC and High-luminosity LHC physics programmes. In particular, CERN is considering 100 TeV pp collisions as the key target of a Future Circular Collider facility, built around a 100 km tunnel and designed to deliver pp, e+e- and ep collisions, in addition to a programme with heavy ion beams and with the injector complex. CERN is coordinating an international study tasked with the completion, by the end of 2018, of a Conceptual Design Report (CDR) for this facility. This document presents the first results of the assessment of the physics potential of the hadronic part of this research programme (FCC-hh).

研究の動機と目的

• LHCに続く次世代施設としての100 TeVプロトン-プロトン衝突機（FCC-hh）の素粒子物理学的探査範囲を評価すること。
• 高エネルギー陽子衝突における新しい物理、特に重い共鳴状態や新しい相互作用の発見可能性を評価すること。
• 将来の円形衝突機（FCC）の概念設計報告書（CDR）の基盤を築くために、ハドロンプログラムを分析すること。
• 複合ヒッグス模型や拡張されたヒッグス系を含む、新しい物理のシナリオに対するFCC-hhの感度を調査すること。

提案手法

• 中心エネルギーオーダー100 TeVでのプロトン-プロトン衝突をモデル化するために、理論的および素粒子現象論的シミュレーションを用いる。
• 標準模型の予測と有効場理論フレームワークを適用し、標準模型を越える新しい物理への感度を評価する。
• トップクォーク対生成やベクトルボソン散乱といった主要な物理チャンネルにおける信号およびバックグラウンドのシミュレーションを含む。
• FCC-hhにおける精度測定の実現可能性を評価するために、光度要件と検出器性能を評価する。
• 既存のLHCデータを活用し、FCC-hhの条件に外挿することで、発見可能性を推定する。
• 高瞬間的および統合光度が、レア過程や新しい共鳴状態への感度に与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-hhは、標準模型を越える新しい重い共鳴状態をどの程度の発見可能性で探査できるか？
• RQ2 100 TeVの高い中心エネルギーオーダーが、LHCと比較して新しい物理への感度をどのように向上させるか？
• RQ3 FCC-hhのエネルギーと光度の増加によって最も恩恵を受ける物理チャンネルは何か？
• RQ4 FCC-hhは、電弱対称性の破れやトップクォーク性質の精度測定をどの程度改善できるか？
• RQ5 FCC-hhにおける期待される信号率とバックグラウンドは、LHCと比較してどう異なるのか？その発見可能性へのインパクトは何か？

主な発見

• FCC-hhは、数TeVのエネルギースケールまで新しい物理を探査可能であり、LHCの探査範囲を顕著に拡張する。
• FCC-hhの高光度性により、トップクォーク性質やトップクォーク対生成、ベクトルボソン散乱といったレア過程の精度測定が可能になる。
• ジェット、レプトン、および欠落エネルギーを含む最終状態への崩壊を示す新しい共鳴状態に対しても、高い感度を達成できる。
• 本研究では、複合ヒッグス模型や拡張されたヒッグス系を含む新しい物理シナリオが、高い重要度で探査可能であることを示している。
• 特に重い共鳴状態や高質量二ボソン最終状態に対して、FCC-hhの予想される発見範囲は、LHCに比べて顕著に広がる。
• 解析から、FCC-hhは電弱パラメータについても競争力のある精度を提供でき、新しい物理の寄与に対する制約を強化できることが示された。