[論文レビュー] Physics at a 100 TeV pp collider: beyond the Standard Model phenomena

T. Golling, M. Hance+112 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 39

ひとこと要約

本論文は、標準模型を超える物理学を調べるための100 TeVプロトン-プロトン衝突機の可能性を調査し、スピン統一理論、余剰次元、複合ヒッグス模型などの新しい粒子や現象の高エネルギー型シグナルに焦点を当てる。この衝突機が、新物理の探査範囲を著しく拡大し、重い共鳴状態の発見、ヒッグスカップリングの高精度測定、LHCをはるかに超えるエネルギースケールでの新しい相互作用への感受性を提供することを示している。

ABSTRACT

This report summarises the physics opportunities in the search and study of physics beyond the Standard Model at a 100 TeV pp collider.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新物理の発見可能性を100 TeV pp衝突機で評価すること。
• 重い共鳴状態、ダークマター候補、新しい強い相互作用の検出における主なシグナルと実験的課題を特定すること。
• ヒッグスボソンカップリングと電弱対称性の破れの高精度測定への衝突機の感受性を評価すること。
• 高エネルギー衝突機がネイチャーリネス、フラバー物理学、量子重力効果を調べる役割を果たす方法を探索すること。
• 高エネルギー先端物理学分野における理論的・実験的研究の方向性を示すロードマップを提供すること。

提案手法

• 信号およびバックグラウンド過程をモデル化するため、モンテカルロイベントジェネレータを用いて√s = 100 TeVでのプロトン-プロトン衝突をシミュレーションする。
• トポロジーの高いブースト共鳴状態（例：トップパートナーや色八重項状態）を同定するため、高度なジェットサブストラクチャ技術を適用する。
• 有効場理論フレームワークを用いて、数TeVまでの新物理スケールに関する制約を解釈する。
• 高運動量最終状態（特に運動量の欠損とレプトン的シグナルを含む）における検出器性能および再構成効率を評価する。
• 簡略化モデルとUV完全理論を含む、さまざまなBSMモデルにおける発見範囲を比較する。
• 量子補正およびループ効果を精度の高いヒッグスおよびベクトルボソンカップリングに組み込み、新物理への感受性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 TeV pp衝突機は、トップ、ヒッグス、ベクトルボソン系における新しい共鳴状態をどの程度のスケールで探査可能か？
• RQ2 高い中心系エネルギーは、強い結合新物理および複合ヒッグス状況における感受性をどのように向上させるか？
• RQ3 100 TeV衝突機は、LHCの探査範囲を超えて、ネイチャーリネスおよびフラバー変化中性荷電共鳴状態をどの程度まで探査可能か？
• RQ4 ダークマターおよび弱い力で相互作用する巨大質量粒子を検出するための最適なシグナルと分析戦略は何か？
• RQ5 高エネルギー域で、ヒッグス系が標準模型の予測からどの程度ずれているかをどの程度の精度で探査可能か？

主な発見

• 100 TeV pp衝突機は、多くの簡略化モデルにおいて、約10–15 TeVの新物理スケールまで探査可能であり、LHCの探査範囲を著しく超える。
• ブランチ比や崩壊モードに依存して、5 TeVを超える質量のトップパートナーや色八重項ヒッグスパートナーの発見が可能になる。
• 高エネルギー衝突により、ヒッグスボソンがベクトルボソンおよびフェルミオンとカップリングする際の測定精度が1%未満のレベルで達成可能になる。
• 共鳴状態の二ボソンおよび二ジェット最終状態を通じて、テクニチャーロリックや複合ヒッグス模型のような強い相互作用新物理に感受性を示す。
• ヒッグス自己カップリングの高精度測定を通じて、電弱相転移およびバリオジェネシス機構を独自に探査する機会が得られる。
• 高インテグレーテッドラミニosityと中心系エネルギーの組み合わせにより、長寿命粒子や大運動量およびずれた頂点を持つレアシグナルの発見が可能になる。