[論文レビュー] Physics Briefing Book

R. Keith Ellis|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2019

Superconducting Materials and Applications被引用数 30

ひとこと要約

『物理学概要ブック』（CERN-ESU-004, 2020）は、2020年ヨーロッパ素粒子物理学戦略の包括的入力文書として機能し、電弱物理学、強い相互作用、フレーバーフィジックス、ニュートリノ物理学、ダークマター、標準模型を超える理論の主要分野における現在の研究と将来の方向性を統合しています。戦略的優先順位、実験的・理論的課題、加速器および検出器の研究開発ニーズを提示し、ヨーロッパの高エネルギー物理学ロードマップを導くものです。

ABSTRACT

The European Particle Physics Strategy Update (EPPSU) process takes a bottom-up approach, whereby the community is first invited to submit proposals (also called inputs) for projects that it would like to see realised in the near-term, mid-term and longer-term future. National inputs as well as inputs from National Laboratories are also an important element of the process. All these inputs are then reviewed by the Physics Preparatory Group (PPG), whose role is to organize a Symposium around the submitted ideas and to prepare a community discussion on the importance and merits of the various proposals. The results of these discussions are then concisely summarised in this Briefing Book, prepared by the Conveners, assisted by Scientific Secretaries, and with further contributions provided by the Contributors listed on the title page. This constitutes the basis for the considerations of the European Strategy Group (ESG), consisting of scientific delegates from CERN Member States, Associate Member States, directors of major European laboratories, representatives of various European organizations as well as invitees from outside the European Community. The ESG has the mission to formulate the European Strategy Update for the consideration and approval of the CERN Council.

研究の動機と目的

• 2020年ヨーロッパ素粒子物理学戦略への調整的で科学主導の入力を提供し、ヨーロッパ全域の研究優先順位を一致させる。
• 電弱、QCD、フレーバーフィジックス、ニュートリノ物理学、標準模型を超える理論を含む主要分野における素粒子物理学研究の現状を評価する。
• 高エネルギー物理学における重要な科学的課題と機会を特定する。これには将来のコライダー計画や実験施設が含まれる。
• 将来的な実験的・理論的プログラムの開発を支援する。これにはHigh-Luminosity LHC、FCC、e+e−コライダーが含まれる。
• ヨーロッパおよびそれ以上の地域における素粒子物理学の国際的協力とインfra構築計画を強化する。

提案手法

• 15のヨーロッパおよび国際機関にまたがる140名以上の専門家による寄稿を統合し、テーマ別ワーキンググループに分類。
• 電弱、QCD、フレーバーフィジックス、ニュートリノ、ダークセクター物理学における理論枠組み、実験的結果、将来の実験プログラムの体系的レビュー。
• LHC、DUNE、KM3NeT、EIC、FCC、ILC、ニュートリノビーム施設など、主要国際プロジェクトからの入力を統合。
• 構造化された科学的要約と技術的評価を用いて、将来の施設の物理学的可能性を評価。
• INFN、CERN、Fermilab、ヨーロッパの研究インfraストラクチャを含む、国家的および国際的コミュニティからの入力を統合。
• 加速器科学、検出器の研究開発、コンピューティング、教育イニシアチブを統合し、長期的な物理学的目標を支援。

Figure 1: Higgs production cross sections in hadronic collisions.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCおよび将来のe+e−コライダーにおいて、電弱精度測定とヒッグス粒子の性質に関する主な物理学的機会と課題は何か？
• RQ2 LHCおよびEICにおける将来の深部散乱実験は、一部粒子分布関数および陽子スピン構造の理解をどのように向上させうるか？
• RQ3 フレーバーフィジックスにおいて、とりわけ希少崩壊やCP対称性の破れに関して、新しい物理の発見の可能性は何か？
• RQ4 ニュートリノ質量階層、絶対的質量スケール、および性質（ディラック型対マヨラナ型）を特定するための最も有望な実験的手法は何か？
• RQ5 FCC、ILC、CLICなどの将来の施設は、高エネルギー物理学における最重要課題およびダークマターの性質をどのように解決できるか？

主な発見

• High-Luminosity LHC（HL-LHC）は、ヒッグス粒子の結合定数およびトップクォークの性質において、標準模型の精密な検証と新しい物理の探査を可能にする、前例のない精度を達成すると予想される。
• FCC-eeおよびCLICなどの将来のe+e−コライダーは、電弱パラメータにおいて0.1‰未満の精度に達すると予想され、1TeVスケールでの新しい物理の探査に不可欠である。
• EICおよびLHeCの提言は、深部散乱を用いたヌクレオン構造および陽子スピンの理解を進める上で不可欠であると特定された。
• ニュートリノの非ゼロの磁気モーメントが発見されたり、ニュートリノがマヨラナ粒子であると判明すれば、標準模型を超える物理を示唆する。将来の実験、例えばnuSTORMやDUNEは、高精度測定を目的としている。
• 将来の円形コライダー（FCC）の開発は、エネルギーのフロントランナーを推進する基盤とされ、FCC-hhは100 TeVの中心系エネルギーに達することが可能である。
• 将来の高エネルギー物理学実験の複雑さに対応するため、量子コンピューティング、高度なモンテカルロ生成器、AI駆動のデータ解析の統合が不可欠であると特定された。

Figure 2: Left: Relative precision on Higgs coupling modifiers, $\kappa$ , determined by ATLAS and CMS with the LHC data at present, and as expected for HL-LHC with the constraint $\kappa_{V}\leq 1$ . Also shown are the constraints on invisible and undetected decay branching ratios, BR ${}_{\textrm{