[論文レビュー] Muon Collider Higgs Factory for Snowmass 2013

Y. Alexahin, C. Ankenbrandt+28 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのプロジェクトXの陽子ビームを用いて、直接sチャネルヒッグス共鳴状態走査が可能な高強度ミューオンビームを生成する、コンactなミューオン衝突型ヒッグス工場の構想を提示する。4.2 fb⁻¹のローリングスビュームで、ヒッグス粒子質量の測定精度が±0.06 MeV、幅の測定精度が±0.18 MeVに達し、ほぼ縮退したヒッグスボソンの独自の解消と、横方向に偏光したミューオンを用いたCP性質の研究が可能になる。

ABSTRACT

We propose the construction of, and describe in detail, a compact Muon Collider s-channel Higgs Factory.

研究の動機と目的

• エネルギー・フ론톨の精度あるヒッグス物理学へのコスト効率的でスケーラブルな道筋の開発。
• e⁺e⁻衝突型加速器では達成できない、sチャネル共鳴状態走査によるヒッグス粒子質量および全幅の直接測定の実現。
• 10 MeV未塔の質量差を有する2HDMなどのモデルにおいて、ほぼ縮退したヒッグスボソンの解消。
• 横方向に偏光したミューオンと生産断面積の角度非対称性を用いた、ヒッグス粒子のCP性質のテスト。
• マシン由来および物理的バックグラウンドの可能性の評価、および最適なバックグラウンド抑制を実現するための検出器設計の指針の提示。

提案手法

• 中心エネルギーオーバーラップが約126 GeVのμ⁺μ⁻衝突によるsチャネルヒッグス生成を実現するミューオン衝突型加速器を採用。
• 約4.2 MeVのビームエネルギー分散を用いて、狭いヒッグス共鳴ピークを解像し、ピーク位置の特定には約368 pb⁻¹の積分ローリングスビュームを要する。
• 横方向に偏光したミューオンを用いた形状フィッティングおよび角度非対称性技術を適用し、ヒッグス結合のCP構造を解明。
• ヒッグス崩壊の物理的バックグラウンド（bb̄、WW*、τ⁺τ⁻、cc̄）をモデル化し、高分解能トラッキングおよびコメトリと併用したバックグラウンド抑制を重視。
• 学習アルゴリズムとフレーバータグギング技術を用いて、h → WW* → 4j などのマルチジェット最終状態を再構築。
• 二重読出方式で高密度にセグメント化されたコメトリの概念（MCDRCal01）を用いて、特にミューオン崩壊に起因するマシン由来バックグラウンドをシミュレート。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオン衝突型加速器は、sチャネル共鳴状態走査を用いて、ヒッグス粒子質量および全幅の測定でサブメガエレクトロンボルトレベルの精度を達成できるか？
• RQ2 2HDMや類似モデルにおける、ほぼ縮退したヒッグスボソンの解像度はどの程度達成可能か？
• RQ3 横方向に偏光したミューオンを用いた角度非対称性を介して、CP奇数結合の感受性測定が可能か？
• RQ4 高分解能トラッキングおよびコメトリを用いた場合、ヒッグス信号再構築におけるバックグラウンド抑制はどの程度達成可能か？
• RQ5 特にミューオン崩壊に起因するマシン由来バックグラウンドの主要な課題とその緩和戦略は何か？

主な発見

• 4.2 fb⁻¹の積分ローリングスビュームで、ミューオン衝突型ヒッグス工場はヒッグス粒子質量を±0.06 MeVの精度で測定可能であり、全幅を±0.18 MeVの精度で測定可能である。
• 約4.2 MeVのビームエネルギー分散を有する場合、ヒッグス共鳴ピークの位置特定には約368 pb⁻¹の積分ローリングスビュームを要する。
• ミューオン衝突型加速器は、大きな共鳴断面積と狭いビームエネルギー分散の両方を備えるため、e⁺e⁻衝突型加速器では実現できない直接ヒッグス共鳴状態走査が可能である。
• ほぼ縮退したヒッグスボソン間の質量の縮退解像度は、それらの全幅のレベルに達し、約10 MeVの質量差の解像が可能になる。
• 横方向に偏光したミューオンを用いることで、バックグラウンド制御を前提とすれば、P_T ~ 40%、0.1 fb⁻¹のローリングスビュームで、ヒッグス結合のb/a比を30%（1σ）の精度で測定可能である。
• 特にh → WW* → 4j などのマルチジェット最終状態において、高空間分解能および高エネルギー分解能を持つトラッキングおよびコメトリにより、バックグラウンド抑制が顕著に向上する。