[論文レビュー] Diphoton resonance at e+e- and photon colliders

F. Richard|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、LHCで観測された二光子共鳴状態を、将来のTeVスケールのe+e-衝突機または光子衝突機を用いて発見し、正確に測定する可能性を調査する。線形衝突機における高精度測定により、共鳴状態のスピンおよび量子数を明確に特定でき、重力子やラディオンといった状況を区別可能であり、ランサム＝サンドルムモデルにおけるヒッグスおよびトップクォークの結合の詳細な研究が可能になる。

ABSTRACT

In this note, I will review the opportunities offered by the hint of a new resonance observed at LHC for future e+e- TeV linear collider (LC) projects. This discussion is mainly influenced by two specific scenarios of physics which assume either a (pseudo-)scalar or a tensor resonance, but these estimates can be used in most scenarios. I envisage either a photon collider, which has a guaranteed signal with the LHC observation, or a standard e+e- collider, more straightforward to implement. After a detailed study of the heavy graviton scenario, I conclude that at a TeV LC, high accuracy measurements, including rare modes, allow to unambiguously establish the origin of this resonance. Also envisaged in some detail is a radion scenario which illustrates the production of a scalar. The role of an LC for precision measurements on Higgs and top couplings is recalled in the context of the Randall Sundrum model.

研究の動機と目的

• 将来のTeVスケールの線形衝突機を用いて、LHCで観測された二光子共鳴状態のスピンおよび量子数を同定する可能性を評価すること。
• e+e-および光子衝突機が共鳴状態のレアな崩壊モードにどれほど感度を持つのかを評価し、その性質を明確に特定する手がかりを得ること。
• ランサム＝サンドルムモデル内でのヒッグスおよびトップクォークの結合の高精度測定において、線形衝突機が果たす役割を検討すること。
• 共鳴状態の研究において、信号が保証される光子衝突機と、実装が容易な標準e+e-衝突機の利点を比較すること。
• （準）スカラーおよびテンソル状態を含む、さまざまな共鳴状態のシナリオに適用可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 共鳴状態が二つの光子に崩壊する場合の、e+e-および光子衝突機における信号およびバックグラウンド過程の詳細なシミュレーションと解析を採用する。
• 統合された光度および運動学的再構成技術を用いて、共鳴状態のスピン、パリティ、および結合定数の発見可能性と測定精度を評価する。
• ベンチマークとして重力子のシナリオを分析し、スピン2の共鳴状態同定に向けた期待される有意水準と分解能を計算する。
• ラディオンのシナリオに拡張し、衝突機におけるスカラー共鳴状態の生成および崩壊様式を提示する。
• ランサム＝サンドルムモデルの枠組みを用いて、ヒッグスおよびトップクォークの結合の高精度測定を評価する。
• e+e-および光子衝突機モード間の信号対バックグラウンド比および再構成効率を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeVスケールのe+e-または光子衝突機は、LHCで観測された二光子共鳴状態のスピンおよび量子数を明確に特定できるか？
• RQ2 このような衝突機が共鳴状態のレアな崩壊モードにどれほど感度を持つのか、そしてそれがその背後にある物理学を特定するのをどのように支援するか？
• RQ3 線形衝突機におけるヒッグスおよびトップクォークの結合の高精度測定は、ランサム＝サンドルムシナリオのようなモデルをどれほど制限するか？
• RQ4 共鳴状態の検出および特徴付けにおいて、光子衝突機と標準e+e-衝突機の相対的な利点は何か？
• RQ5 衝突機のデータは、（準）スカラー共鳴状態とテンソル（例：重力子）共鳴状態をどの程度明確に区別できるか？

主な発見

• TeVスケールの線形衝突機は、共鳴状態の結合定数および量子数を高精度で測定でき、そのスピンおよび性質を明確に同定可能である。
• 重力子のシナリオでは、レアな崩壊モードを用いてスピン2とスピン0またはスピン1の仮説を高い有意水準で区別できる。
• 光子衝突機は二光子共鳴状態の保証された信号チャンネルを提供し、発見可能性を高め、バックグラウンドの不確実性を低減する。
• 本研究は、γγ、Zγ、WWなどのレアな崩壊モードが高精度で測定可能であり、共鳴状態の同定にクリアなシグネチャを提供することを示している。
• ランサム＝サンドルムモデルにおけるヒッグスおよびトップクォークの結合の高精度測定は、線形衝突機で実現可能であり、新物理の強力なプローブとなる。
• 解析により、e+e-および光子衝突機の両方が実現可能であることが確認され、後者は二光子最終状態において信号純度が優れている。