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

M. L. Mangano, G. Zanderighi+74 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 56

ひとこと要約

本論文は、将来の100 TeVプロトン-プロトン衝突機における標準模型過程の包括的分析を提示し、生成率、運動量分布、および高エネルギー領域のダイナミクスを評価している。主なSM過程は、精度物理学のための基準として、および新しい物理の探索における必須のバックグラウンドとして重要であることが特定され、LHC物理学の精度のフロンティアを極限エネルギー領域で前進させる役割を果たすことが強調されている。

ABSTRACT

This report summarises the properties of Standard Model processes at the 100 TeV pp collider. We document the production rates and typical distributions for a number of benchmark Standard Model processes, and discuss new dynamical phenomena arising at the highest energies available at this collider. We discuss the intrinsic physics interest in the measurement of these Standard Model processes, as well as their role as backgrounds for New Physics searches.

研究の動機と目的

• 100 TeV pp衝突機における主要な標準模型過程の生成率および運動量分布を評価すること。
• このような衝突機が達成可能な最高エネルギー領域で生じる新たな力学的現象を同定すること。
• これらのSM過程を高精度で測定することの内在的な物理学的意義を評価すること。
• これらのSM過程が、標準模型を超える新しい物理の探索においてどの程度の主要なバックグラウンドを占めるかを定量化すること。
• 将来の高エネルギーハドロン衝突機実験のための精度理論的予測の開発を支援すること。

提案手法

• 次-leading order (NLO) やそれ以上の段階での最先端の摂動的QCDおよび電弱計算を用いる。
• ベンチマーク過程の最終状態分布をモデル化するために、モンテカルロイベントジェネレータおよびパートンレベルのシミュレーションを用いる。
• 正確な断面積予測のため、MadGraph5_aMC@NLO や MCFM といった高度な計算ツールを適用する。
• 仮想放射と実際の放射の両方を含む高次の補正を組み込むことで、断面積および分布計算の精度を確保する。
• 高エネルギー領域の振る舞いとSM予想からの逸脱の可能性を分析するため、有効場理論の枠組みを用いる。
• 複雑なマルチスケール計算を処理するため、アーラン・リーダーシップコンピューティングファシリティを含む大規模計算リソースを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 TeV pp衝突機における主要な標準模型過程の生成断面積および運動量分布は何か？
• RQ2 100 TeVセンター・オブ・マスエネルギー領域における高エネルギーQCDおよび電弱過程で、どのような新しい力学的現象が現れるか？
• RQ3 100 TeVにおけるSM過程の性質は、LHCと比較して理論的予測の精度をどの程度向上させるか？
• RQ4 これらのSM過程が100 TeVスケールでの新しい物理探索において、どの程度の主要なバックグラウンドを占めるか？
• RQ5 これらのSM過程を測定することが、将来の衝突機における精度物理学の基盤として、理論的・実験的意義を持つとはどのような意味か？

主な発見

• 100 TeV pp衝突機により、特に高運動量移動および高多重度最終状態において、標準模型過程の測定が未曾有の精度で可能になる。
• WZ、WW、ZZの二ボソン生成やトップクォーク対生成といった過程の生成率は、LHCと比較して顕著に増加し、断面積は数十から数百ピコバーンに達する。
• ジェットおよびベクトルボソン分布の高エネルギー尾部が観測可能となり、新しいQCDダイナミクスや固定順序予測からの逸脱の兆候が明らかになる。
• 次次-leading order計算を含む高次の補正を組み込むことで、SM断面積の理論的不確実性が低減され、NLOおよびNNLO計算が信頼性の高い予測を提供する。
• 本研究では、トップクォーク対生成およびベクトルボソン融合が、極限エネルギー領域におけるヒッグス場および電弱対称性の破れのテストに重要なプロセスであると特定した。
• 本論文は、100 TeVにおけるSM過程が、特に重い共鳴状態やフレーバー破れ信号の探索において、必須のコントロールサンプルおよびバックグラウンド基準として機能することを確立した。