[論文レビュー] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol 3 (2018): The CLIC potential for new physics

Jorge de Blas, Roberto Franceschini+101 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 520被引用数 82

ひとこと要約

本報告では、LHCを上回るスケールでの新しい物理学を探るための、コンパクト線形衝突型加速器（CLIC）の優れた施設としての可能性を評価している。CLICは高エネルギーe+e−衝突を活用し、標準模型を超える新しい物理学を探る。CLICが、精度の高いヒッグス結合、ヒッグス自己結合、およびダークフォトン、axion-like粒子、ベクトル型クォークを含む広範なBSM状況において、独自の可能性を示しており、多くのモデルで3–5 TeVに達する感度を有していることが示された。

ABSTRACT

The Compact Linear Collider (CLIC) is a mature option for the future of high energy physics. It combines the benefits of the clean environment of $e^+e^-$ colliders with operation at high centre-of-mass energies, allowing to probe scales beyond the reach of the Large Hadron Collider (LHC) for many scenarios of new physics. This places the CLIC project at a privileged spot in between the precision and energy frontiers, with capabilities that will significantly extend knowledge on both fronts at the end of the LHC era. In this report we review and revisit the potential of CLIC to search, directly and indirectly, for physics beyond the Standard Model.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学における精度のフロントとエネルギーのフロントの交差点としてのCLICの独自の位置を評価すること。
• ヒッグス結合や自己結合を通じた直接的・間接的なプローブにより、CLICの新しい物理学への感受性を評価すること。
• ダークフォトン、axion-like粒子、ベクトル型クォークなどの広範なBSM状況の発見可能性を調査すること。
• 特にLHCの範囲を超えるスケールでの新しい物理学のスケールを、CLICの探査範囲として定量化すること。
• 有効場理論と特定モデルに基づく解析を用いた、CLICの能力を包括的かつ複数著者による評価を提供すること。

提案手法

• CLICのヒッグス結合および自己結合の精度測定を解釈するために、標準模型有効場理論（SMEFT）を用いる。
• 高エネルギーでのヒッグス自己結合および新しい物理学を調べるために、オンシェルおよびオフシェルのヒッグス生成技術を適用する。
• 主なBSMのシグネチャ、特に見えないヒッグス崩壊や共鳴状態の詳細なモンテカルロシミュレーションとイベント再構築を実施する。
• LHCおよび電弱精度観測データからの制約を組み込んだCLICデータのグローバルフィットを通じて、新しい物理学への感受性を評価する。
• 2HDM、U(1)′モデル、およびベクトル型クォークやaxion-like粒子を含むモデルを分析する。
• 運動量再構築とイベントトポロジー解析を用いて、新しい物理学のシグナルと標準模型のバックグラウンドを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLICは、ヒッグス自己結合やヒッグス結合の文脈において、LHCを上回る新しい物理学のスケールにどの程度感度を持つのか？
• RQ2 CLICのクリーンなe+e−環境は、ハドロン衝突型加速器と比較して、新しい物理学の発見可能性をどのように向上させるのか？
• RQ3 ダークフォトン、axion-like粒子、ベクトル型クォークなどの特定のBSM状況を、CLICはどの範囲まで探査できるのか？
• RQ4 CLICはヒッグス自己結合をどの程度探査でき、標準模型を超えるヒッグス系の構造をテストできるのか？
• RQ5 CLICにおける精度測定は、有効場理論のオペレーターおよび3–5 TeVまでのスケールでの新しい物理学をどの程度制約できるのか？

主な発見

• CLICは、多くの状況で3–5 TeVの新しい物理学スケールを探査可能であり、特定のBSMモデルにおいてLHCの範囲を著しく超える。
• 3 TeVの中心系エネルギーにおいて、CLICはヒッグス自己結合に対して約1%の精度を達成し、ヒッグスポテンシャルの直接的テストが可能になる。
• クリーンな環境のおかげで、分岐比1%未満の見えないヒッグス崩壊を直接観測可能である。
• CLICは、キネティック混合が10−9にまで小さいダークフォトンに対しても感受性を示し、既存の実験の探査範囲を拡張する。
• CLICは、結合定数や崩壊モードに依存して、質量が約3 TeVまでのベクトル型クォークを発見可能である。
• グローバルフィットの結果、CLICのデータは、Wボソン質量などの電弱精度観測量における矛盾を、新しい物理学の寄与を制約することで解消できる可能性がある。