[論文レビュー] Physics at a High-Luminosity LHC with ATLAS

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 30

ひとこと要約

本論文は、LHCの高光度化アップグレード（HL-LHC）を提案し、3000 fb⁻¹のデータ収集を実現することで、ATLASがヒッグス粒子の精度測定、トップクォークのFCNC崩壊、および新しい物理の探査における物理的探査範囲を顕著に拡大できることを示している。改良された検出器アップグレードにより、ATLASはヒッグスのブランチ比精度を2–3倍向上させ、10⁻⁵から10⁻⁴のレベルで稀なトップクォーク崩壊の新たな制限を設定可能となり、ヒッグス自己結合を調査し、新しい粒子の質量探索範囲を最大50％まで拡張できる。

ABSTRACT

The physics accessible at the high-luminosity phase of the LHC extends well beyond that of the earlier LHC program. This white paper, submitted as input to the Snowmass Community Planning Study 2013, contains preliminary studies of selected topics, spanning from Higgs boson studies to new particle searches and rare top quark decays. They illustrate the substantially enhanced physics reach with an increased integrated luminosity of 3000 fb-1, and motivate the planned upgrades of the LHC machine and ATLAS detector.

研究の動機と目的

• 高光度LHC（HL-LHC）における統合光度3000 fb⁻¹を想定したATLAS実験の物理的探査範囲の向上を評価すること。
• 増加した光度および積算状態下でも性能を維持するための検出器アップグレードの実現可能性と影響を評価すること。
• ヒッグス粒子の性質、特にH→μμのような稀な崩壊とヒッグス自己結合の精度測定の可能性を示すこと。
• 特にフレーバー変換中性荷電現在（FCNC）であるt→γqおよびt→Zqのような、稀なトップクォーク崩壊への感度を、現在の実験的限界を超えて拡張すること。
• HL-LHCアップグレードのための資金を確保し、エネルギーフロントにおける継続的なリーダーシップを確保するために、国際素粒子物理学コミュニティを支援すること。

提案手法

• 新しい物理モデルに対する制約を可能にするために、モデルに依存しない有効ラグランジアンアプローチを用いて、トップクォークのFCNC崩壊への感度を評価する。
• 14 TeVの中心系エネルギー下での専用モンテカルロシミュレーション（TopRex）を用い、t→γqおよびt→Zq崩壊チャネルの信号およびバックグラウンド過程をモデル化する。
• 高積算状態に最適化された、尤度判別子およびイベント選別基準を含む高度な解析手法を採用する。
• t→γqおよびt→Zqチャネルのバックグラウンド推定には、主にt¯t、Z+jets、W+jets、およびWZイベントからの寄与を考慮する。
• 標準模型のt¯t生成断面積を基準として、観測された断面積限界をブランチ比限界に変換する。
• 3000 fb⁻¹の統合光度に基づく95%信頼水準（CL）でのブランチ比限界を予測し、既存の7 TeVデータからの外挿と、新たな解析戦略による精錬を経て得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合光度3000 fb⁻¹の下で、ATLASはトップクォークのフレーバー変換中性荷電現在崩壊（t→γqおよびt→Zq）に対してどの程度の感度を期待できるか？
• RQ2 HL-LHCアップグレードにより、特にH→μμのようなレアモードを含むヒッグス粒子のブランチ比測定精度はどの程度向上するか？
• RQ3 HL-LHCデータセットにより、ATLASとCMSの共同解析によってヒッグス自己結合の初観測がどの程度の確度で可能になるか？
• RQ4 5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度下で平均140個の積算状態を伴う状況下でも、物理的性能を維持するためにはどのような検出器アップグレードが必要か？
• RQ5 予想されるレアトップクォーク崩壊の限界は、現在の実験的限界と比較してどの程度か？また、どのような新しい物理モデルが制約可能か？

主な発見

• ATLASは、3000 fb⁻¹の統合光度下で、t→γq崩壊のブランチ比に対して95%信頼水準で1.3×10⁻⁵から2.5×10⁻⁵の範囲での限界を達成すると予想している。
• t→Zq崩壊に関しては、95%信頼水準での限界が4.1×10⁻⁵から7.2×10⁻⁵の範囲に予想され、現在の限界に対して顕著な改善が見込まれる。
• ヒッグス粒子の崩壊モードH→μμは、3000 fb⁻¹のデータで利用可能となり、標準模型を越えたヒッグス系の精度テストが可能になる。
• ATLASとCMSのHL-LHCデータセットを統合した解析により、ヒッグス自己結合の初歩の証拠が得られる可能性がある。これは、標準模型の根本的テストである。
• 新しい粒子探索における新しい物理の質量探索範囲は、初期LHC計画と比較して最大50％まで拡張可能である。
• HL-LHC計画では、元のLHC設計に比べてデータ量が10倍に増加すると予想され、TeVスケールでの発見的および精度物理学が可能になる。