[論文レビュー] Future strategies for the discovery and the precise measurement of the Higgs self coupling

A. Blondel, P. Janot|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 39

ひとこと要約

この論文は、レプトン衝突型加速器のヒッグス自己結合定数および関連する性質を測定するための素粒子物理学的ポテンシャルを評価しており、FCC-eeが240、350、365 GeVで運転することで、総幅（1.3％の精度）を優れた精度で測定でき、500 GeVのアップグレードを必要とせずに、モデルに依存しない5σの三重ヒッグス自己結合定数の発見が可能であると結論している。FCC-eeとFCC-hhを組み合わせることで、ヒッグス自己結合定数の数パーセントの精度が実現可能であり、ILC500を上回る効率と物理学的到達範囲を有する。

ABSTRACT

The European Strategy for Particle Physics (ESSP) submitted in 2013 a deliberation document to the CERN council explaining that a lepton collider with "energies of 500\,GeV or higher could explore the Higgs properties further, for example the [Yukawa] coupling to the top quark, the [trilinear] self-coupling and the total width.". In view of the forthcoming ESPP update in 2020, variations on this qualitative theme have been applied, inaccurately, to the case of the ILC, to argue that an upgrade to 500\,GeV would allow the measurement of the Higgs potential and would increase the potential for new particle searches. As a consequence, the strategic question was raised again whether the FCC-ee design study ought to consider a 500 GeV energy upgrade. In this note, we revisit the ESSP 2013 statement quantitatively and find [...] that 500 GeV is not a particularly useful energy for the lepton colliders under consideration, especially for the FCC-ee. A 5 sigma demonstration of the existence of the Higgs self-coupling is within reach at the energies foreseen for the FCC-ee, with a moderate change of configuration, which certainly deserves consideration.

研究の動機と目的

• レプトン衝突型加速器が、高い有意水準でヒッグス自己結合定数を測定するためには500 GeVエネルギーのアップグレードが必要かどうかを評価すること。
• FCC-eeとILC500のヒッグス全幅、トップヤウカ因子、三重ヒッグス自己結合定数の測定における物理学的到達範囲を比較すること。
• FCC-eeが500 GeVのエネルギーアップグレードなしに、モデルに依存しない5σの三重ヒッグス自己結合定数の観測を達成できるかどうかを評価すること。
• FCC-eeとFCC-hhの組み合わせが、ヒッグス自己結合定数の数パーセントの精度を達成するための唯一現実的な道筋を提供するかどうかを特定すること。
• 電弱精度測定を通じて、ダークマターおよび重いニュートリノを含む新しい物理現象に対するFCC-eeの感受性を評価すること。

提案手法

• FCC-eeが√s = 240、350、365 GeVで運転する際の、ヒッグス生成断面積および崩壊比率の期待される統計的不確実性の定量的比較。
• モデル依存性の有無にかかわらず、ヒッグス結合定数および全幅をフィットするためのκフレームワークとSMEFT次元6オペレーターのフレームワークの使用。
• 光度および中心系エネルギーの仮定に基づき、FCC-ee、ILC500、HL-LHCの三重ヒッグス自己結合定数に対する予想される感受性の比較。
• 2つの実験から4つに増やすことで、FCC-eeの光度供給が2倍になり、三重結合定数の5σ発見が著しく速やかに達成可能になる影響の評価。
• FCC-eeの電弱精度測定の評価、特に弱い結合定数の10^{-11}未満の結合強度まで、最大70 TeVのスケールの新しい物理現象の感受性。
• FCC-eeとFCC-hhの組み合わせによる高精度なヒッグス自己結合定数測定の物理学的到達範囲の分析、特に1パーセント未満の精度を達成するにはハドロン衝突型加速器のデータが必要不可欠であることを示唆。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-eeは500 GeVのエネルギーアップグレードなしに、三重ヒッグス自己結合定数の5σ発見を達成できるか？
• RQ2 FCC-eeが500 GeV運転を行わずに達成可能なヒッグス全幅測定の精度はどの程度か？
• RQ3 15年間の運転後、FCC-eeの三重ヒッグス自己結合定数に対する感受性はILC500と比べてどの程度か？
• RQ4 FCC-eeとFCC-hhの組み合わせにより、ヒッグス自己結合定数の数パーセントの精度が達成可能であり、低エネルギーのレプトン衝突型加速器でも実現可能か？
• RQ5 FCC-eeに500 GeVアップグレードが必要かどうか、それともFCC-hh計画によってその必要性が不要になるのか？

主な発見

• FCC-eeは、√s = 240、350、365 GeVで運転することで、500 GeVのアップグレードなしに、ヒッグス全幅を1.3％の精度で測定できる。
• HL-LHCではトップヤウカ因子を±2.5％のレベルで決定できるが、FCC-eeの測定結果と組み合わせることで、500 GeVのe⁺e⁻衝突を必要とせず、モデルに依存しない結果が得られる。
• FCC-eeは15年間の単一ヒッグス生成断面積の高精度測定により、三重ヒッグス自己結合定数に対して3σの感受性を達成でき、これはILC500が30年間運転した場合と同等の感受性である。
• 2つの実験から4つに増やすことで、FCC-eeは、ILC500よりも著しく速やかに、最初のモデルに依存しない5σの三重ヒッグス自己結合定数の実証を達成できる。
• ヒッグス自己結合定数の数パーセントの精度測定は、FCC-eeとFCC-hhの組み合わせによってのみ現実的に達成可能であり、3 TeVまでのレプトン衝突型加速器では、合理的な時間および光度ではこの精度に到達できない。
• FCC-eeのZファクトリーモード（5 × 10¹²個のZ崩壊）は、弱い結合定数の10^{-11}未満の結合強度を持つ新しい物理現象を、ダークマターや重いニュートリノの発見を含めて探査可能である。