[論文レビュー] Higgs Working Group Report of the Snowmass 2013 Community Planning Study

S. Dawson, A. V. Gritsan+132 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2013

Rural development and sustainability参考文献 13被引用数 155

ひとこと要約

Snowmass 2013 の報告書は、将来の加速器を対象とした精度の高いヒッグス粒子物理学計画を概説し、ヒッグス粒子の性質—結合定数、スピン、CP性質、自己結合、および新たなヒッグス状態—を高精度で測定する能力を評価している。主な結論として、$e^+e^-$加速器（ILC、CLICなど）は結合定数およびCP測定において優れた精度を発揮するが、ハドロン加速器（HL-LHC、VLHC）およびミューオン加速器は、重いヒッグス粒子および自己結合の研究における最高の発見感度を提供する。

ABSTRACT

This report summarizes the work of the Energy Frontier Higgs Boson working group of the 2013 Community Summer Study (Snowmass). We identify the key elements of a precision Higgs physics program and document the physics potential of future experimental facilities as elucidated during the Snowmass study. We study Higgs couplings to gauge boson and fermion pairs, double Higgs production for the Higgs self-coupling, its quantum numbers and $CP$-mixing in Higgs couplings, the Higgs mass and total width, and prospects for direct searches for additional Higgs bosons in extensions of the Standard Model. Our report includes projections of measurement capabilities from detailed studies of the Compact Linear Collider (CLIC), a Gamma-Gamma Collider, the International Linear Collider (ILC), the Large Hadron Collider High-Luminosity Upgrade (HL-LHC), Very Large Hadron Colliders up to 100 TeV (VLHC), a Muon Collider, and a Triple-Large Electron Positron Collider (TLEP).

研究の動機と目的

• 標準模型の検証および新しい物理の探査に不可欠な、精度の高いヒッグス粒子物理学計画の根幹的要素を特定すること。
• 将来の実験施設（$e^+e^-$、ハドロン、レプトン加速器）のヒッグス粒子性質を高精度で測定する能力を評価すること。
• ILC、CLIC、TLEP、HL-LHC、VLHC、ミューオン加速器などの異なる加速器設計の、ヒッグス結合定数、自己結合、スピン、CP性質、および重いヒッグス状態の探査における独自の強みを比較すること。
• 詳細なシミュレーション研究を用いて、施設ごとのヒッグス粒子質量、全幅、結合定数のずれの測定感度を予測すること。
• 将来の加速器データを用いて、非最小なヒッグス系および追加のヒッグス粒子の発見可能性を、さまざまな理論的モデルにおいて評価すること。

提案手法

• LEP、Tevatron、LHC のデータから得られたヒッグス粒子の測定および探索結果を包括的に調査し、精度物理学の基準を確立すること。
• CLIC、ILC、TLEP、HL-LHC、VLHC、ミューオン加速器、$γ\gamma$加速器などの将来の加速器施設の詳細なシミュレーション研究を用いて、測定精度および発見感度を予測すること。
• ゲージボソンおよびフェルミオンへのヒッグス結合定数の評価、$H \to b\bar{b}$、$\tau^+\tau^-$、$WW^*$、$ZZ^*$、$\gamma\gamma$、$\gamma Z$ などの崩壊モードを含む。
• 二重ヒッグス粒子生成（$gg \to HH$）および $t\bar{t}H$ 生成を通じたヒッグス自己結合の感度を予測すること。
• 偏光ビームの能力に注目し、$H \to ZZ^*$、$H \to \tau^+\tau^-$、$ttH$ 終状態におけるCP非対称性の割合を用いたCP性質の評価。
• ILC、CLIC、TLEP などの $e^+e^-$ 加速器の精度の高い結合定数測定性能と、HL-LHC、VLHC およびミューオン加速器の高エネルギー領域での発見感度および共鳴生成性能を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の $e^+e^-$ およびハドロン加速器における、ヒッグス粒子のフェルミオンおよびゲージボソンへの結合定数の測定精度はどの程度予想されるか？
• RQ2 CLIC、ILC、TLEP、HL-LHC におけるヒッグス自己結合の測定精度はどの程度で、このチャネルを通じた新しい物理の感度はどの程度か？
• RQ3 将来の加速器は、ヒッグス系におけるCP違反にどの程度感度を有するか、特に $H \to \tau^+\tau^-$ および $H \to ZZ^*$ 崩壊において。
• RQ4 $pp$、$e^+e^-$、およびミューオン加速器における、標準模型を超える理論モデルにおける追加のヒッグス粒子の質量領域の到達範囲は？
• RQ5 TLEP、CLIC、VLHC などの異なる加速器設計は、$\mu^+\mu^-$ や $Z\gamma$ などのレアヒッグス崩壊モードを測定する能力において、どのように比較されるか？

主な発見

• 14 TeV で 3000 fb⁻¹ のデータを取得する HL-LHC は、8 TeV 時代のLHC走行に比べ、ヒッグス結合定数の測定精度を 3～5 倍向上させ、ヒッグス自己結合の初回測定を可能にする。
• 3 TeV で動作する CLIC は、ヒッグス自己結合に対して 10% の精度を達成可能であり、VLHC が 100 TeV で動作すれば 8% の精度に達する。これは、新しい物理に対する感度を顕著に向上させる。
• ILC および CLIC の $e^+e^-$ 加速器は、$H \to ZZ^*$ におけるCP非対称性の割合を数パーセントの精度で測定可能であり、VBF生成においてさらなる改善が可能である。
• $e^+e^-$ 加速器では、$\tau\tau H$ 結合におけるCP混合成分を約 1% の精度で測定可能であり、偏光ビームを用いることで、光子およびミューオン加速器における直接的なCP違反研究が可能になる。
• TLEP は、高いビームフラックスおよび複数の検出器構成を有するため、大多数のヒッグス結合定数測定において最高の精度を発揮するが、$ttH$ および $HHH$ 結合には感度を欠く。
• ミューオン加速器は、ILC や CLIC と同等の精度のヒッグス物理学に潜在的価値を有し、より高いエネルギー領域への到達範囲および重いヒッグス状態の共鳴生成の可能性を有するが、これはさらなる研究を要する。