[論文レビュー] Physics at Future Hadron Colliders

U. Baur, R. Brock+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、中心エネルギーや全断面積がそれぞれ200 TeVおよび10^35 cm⁻²s⁻¹に達する可能性のある非常に大型ハドロン衝突型加速器（VLHC）の物理的潜在能力と検出器要件を評価している。新しい物理現象の主な発見チャネル（超対称性、余剰次元、強い相互作用的ダイナミクスなど）を特定し、LHCが新物理の部分的な信号しか発見できない状況下でも、VLHCがLHCをはるかに超えるスケールの新物理を探索可能であることを示している。

ABSTRACT

We discuss the physics opportunities and detector challenges at future hadron colliders. As guidelines for energies and luminosities we use the proposed luminosity and/or energy upgrade of the LHC (SLHC), and the Fermilab design of a Very Large Hadron Collider (VLHC). We illustrate the physics capabilities of future hadron colliders for a variety of new physics scenarios (supersymmetry, strong electroweak symmetry breaking, new gauge bosons, compositeness and extra dimensions). We also investigate the prospects of doing precision Higgs physics studies at such a machine, and list selected Standard Model physics rates.

研究の動機と目的

• 中心エネルギーや全断面積が200 TeVに達する将来のハドロン衝突型加速器の物理的発見可能性を評価すること。
• これらのエネルギーで高い全断面積と放射線環境に耐える検出器システムの実現可能性と要件を評価すること。
• 超対称性、余剰次元、および複合ヒッグスモデルなどの具体的な新物理のシナリオにおいて、VLHCが独自の発見領域を提供する点を特定すること。
• LHCが新物理の部分的な信号しか得られない場合に、VLHCとLHCおよびLinear Colliderの物理的能力を比較すること。
• LHC以降の多TeVスケールのハドロン衝突型加速器に向けた、検出器の研究開発と長期的計画のロードマップを策定すること。

提案手法

• 理論的モデルとモンテカルロシミュレーションを用いて、将来のハドロン衝突型加速器における新物理の発見可能性を予測する。
• 3つの基準エネルギー状況（40 TeV（VLHC-I）、100 TeV（VLHC-II低）、200 TeV（VLHC-II高））を想定し、全断面積は10^35 cm⁻²s⁻¹までを想定する。
• 200 TeVでの高積み重ね（50–100個の衝突が1バッチクロージングに発生）状態における検出器性能を分析し、放射線耐性とグレインの細かさに特に注目する。
• ヒッグスボソンの性質、超対称性、および複合性に関するシナリオにおいて、LHCおよびLinear Colliderとの物理的発見可能性を比較する。
• トラッキング、コメトリ、バーテックス再構築の向上を含む検出器のアップグレードが物理的感度に与える影響を評価する。
• 40–200 TeVの中心エネルギーや全断面積を達成するためのスーパーフェリックおよび高磁場超伝導磁石を用いた二段階のVLHC設計を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100–200 TeVのハドロン衝突型加速器でLHCが到達できない新物理現象は何か？
• RQ2 検出器の性能と放射線耐性は、高全断面積および高エネルギー下での物理的発見可能性にどのように制限を及えるか？
• RQ3 LHCが軽いヒッグスボソンを発見するが、それ以外の新物理は観測されない場合、VLHCは次のスケールの新物理をどのように探査できるか？
• RQ4 逆質量階層を持つ超対称性モデルや強い相互作用的電弱対称性の自発的破れモデルにおいて、VLHCはその曖昧さを解消できるか？
• RQ5 100 TeVの中心エネルギーや高全断面積で物理を実現するための、必要な検出器技術と研究開発投資は何か？

主な発見

• √s = 200 TeV、L = 10^35 cm⁻²s⁻¹のVLHCは、LHCの能力をはるかに超えて、100 TeVスケールの新物理を探索可能である。
• √s = 200 TeVでは、1バッチクロージングあたり50–100個の積み重ねが予想され、これにより現在の検出器設計が大きな挑戦を受ける。放射線耐性とグレインの細かさに関する大規模な研究開発が不可欠である。
• LHCが軽いヒッグスボソンを発見するが、それ以外の新物理は観測されない場合、VLHCは重い超対称粒子や複合性の次のスケールの新物理を独自に探査可能である。
• 電弱対称性のダイナミカルな破れを伴うモデルでは、VLHC-I（40 TeV）で明確な信号が得られるが、LHCでは弱い兆候にとどまる可能性がある。
• 複合クォークや励起クォークのスケールがΛ < 60 TeVの場合、VLHCはLHCとは異なり、新物理のスケールを直接探査可能である。
• LHCが標準模型のゲージボソンや重力子のカルツァ＝クライン励起状態を観測した場合、VLHCは詳細なスペクトル解析を実施し、余剰次元の湾曲やコンパクト化の性質を特定可能である。