[論文レビュー] Further searches of the Higgs scalar sector at the ESS

Carlo Rubbia|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、フェルミオン質量へのヒッグスの結合によって強化されたミューオン対生成を用いて、ヨーロッパスパリレーションソース（ESS）をプラットフォームとして、ヒッグススカラー領域を調べるためのミューオン衝突装置の活用を提案する。初期冷却実験（ICE）を通じたミューオン冷却の実証により、ハドロン衝突装置（HL-LHCなど）と比較して背景が低減され、感度が向上する高精度なヒッグス研究が可能になる道筋を提示する。

ABSTRACT

Recent decades have witnessed remarkable confirmations of the Standard Model (SM) describing the Electro-Weak and Strong Interactions. The Higgs boson was observed at CERN-LHC at 7-8 TeV and 13 TeV. The HL-LHC, a major luminosity upgrade has been recently approved. The HL-LHC may be already an early "Higgs factory", however only capable to perform Ho related measurements with rather large uncertainties because of persisting backgrounds and uncertainties. New projects using leptons rather than hadrons should be investigated Ho has a spin zero and its coupling is proportional to the square of the lepton mass, greatly enhancing the production from pairs of muons. A mu+mu- Collider may operate at a much higher magnetic field respect to the e+e- Collider and it has a smaller radius, easily fitting within one existing European site. However muons are unstable particles: they must be produced in sufficient amounts from pions of a proton beam, cooled and quickly accelerated to the required energies. The scenario is here primarily concentrated to further developments of the European Spallation Source (ESS) under construction in the Lund site as the most intense future source of spallation neutrons. As a initial part of the program, muon cooling should be experimentally demonstrated with the much cheaper and simpler Initial Cooling Experiment.

研究の動機と目的

• ヨーロッパスパリレーションソース（ESS）におけるミューオン衝突装置を用いて、標準模型を超えたヒッグススカラー領域を探索すること。
• ハドロンベースの衝突装置に代えてレプトンベースのミューオン衝突を用いることで、ヒッグスボソン測定の実験的不確実性を低減すること。
• ESSにおける高出力ミューオン衝突装置の構築に向けた重要な一歩として、ミューオン冷却を実証すること。
• 特にミューオンに対して、質量に比例するヒッグスボソンの結合を活用し、生産断面積を向上させること。
• 既存のヨーロッパの研究施設、特にルンドの施設に統合された、将来のヒッグス工場能力を実現可能な道筋を確立すること。

提案手法

• ピonalを生成するための強力な陽子ビーム源としてESSを活用し、その崩壊によって得られるミューオンを衝突装置に用いる。
• 段階的アプローチを採用：まず、縮小スケールでの初期冷却実験（ICE）によりミューオン冷却を実証する。
• イオン化冷却技術を適用してミューオンビームのエミッタンスを低減し、高出力運転を可能にする。
• ESS施設のインfraストラクチャを活用して、高磁場およびコンact半径を有するミューオン衝突装置を設計する。
• ヒッグスボソンのスピン0性と、ミューオンへの質量比例結合を活用し、ミューオン+ミューオン衝突における生産率を向上させる。
• ミューオン衝突装置をESS施設に統合することで、コスト低減とネutron科学との相乗効果を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ESSは、将来的な高精度ヒッグスボソン研究に特化したミューオン衝突装置の実現可能なプラットフォームとして機能できるか？
• RQ2 初期冷却実験（ICE）において、フルスケールの衝突装置の技術的妥当性を裏付けるために、どれほどまでにミューオン冷却を実験的に実証できるか？
• RQ3 ミューオン+ミューオン衝突におけるヒッグスボソン生成率は、電子+電子または陽子+陽子衝突と比較して、どの程度の差異を示すか？（質量の二乗に比例する結合の影響を考慮して）
• RQ4 ミューオン衝突装置におけるヒッグス測定の予想されるバックグラウンドと系統的不確実性は、HL-LHCと比較してどの程度か？
• RQ5 ESSのインfraストラクチャを活用することで、ルンドのような既存のヨーロッパの施設内に、高出力ミューオン衝突装置を構築できるか？

主な発見

• ESSは、パイオンの崩壊を介して高レートのミューオン生成を可能にする、極めて強力な陽子ビーム源を提供する。
• 初期冷却実験（ICE）においてミューオン冷却を実験的に実証可能であり、これはフルスケールの衝突装置の実現に向けた重要な証明段階である。
• ヒッグスボソンのミューオンへの結合はmμ²に比例して強化され、電子+電子衝突と比較して、ミューオン+ミューオン衝突における生産断面積が顕著に増加する。
• ESSにおけるミューオン衝突装置は、バックグラウンドが低減され、最終状態が明確なため、HL-LHCに比べてヒッグス結合測定の精度が向上する。
• ミューオン衝突装置のコンact設計と高磁場対応能力により、同等のe+e−衝突装置と比較して、より小さな敷地面積で実現可能であり、既存のESS施設内に収まる。
• ミューオン衝突装置とESSの統合により、インfraストラクチャの共有とコスト共有が可能となり、全体のプロジェクトの実現可能性が向上する。