[論文レビュー] Physics case for an LHCb Upgrade II - Opportunities in flavour physics, and beyond, in the HL-LHC era

LHCb Collaboration, B. Adeva+832 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 525被引用数 234

ひとこと要約

本論文は、高光度LHC（HL-LHC）向けに、フラバー物理学における精度測定および新しい物理の探索を可能にする、LHCb Upgrade IIと呼ばれる主要な検出器の強化を提案する。10倍の高い光度（2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹）で稼働することで、希少なB中間子崩壊の探査、μ⁺μ⁻モードを通じた最小フラバー不変性の検証、そしてcharmのCP対称性破れに対する10⁻⁵の感度を達成する。これにより、pre-HL-LHC時代の実験と比較して、新しい物理の探査範囲がほぼ2倍に拡大される。

ABSTRACT

The LHCb Upgrade II will fully exploit the flavour-physics opportunities of the HL-LHC, and study additional physics topics that take advantage of the forward acceptance of the LHCb spectrometer. The LHCb Upgrade I will begin operation in 2020. Consolidation will occur, and modest enhancements of the Upgrade I detector will be installed, in Long Shutdown 3 of the LHC (2025) and these are discussed here. The main Upgrade II detector will be installed in long shutdown 4 of the LHC (2030) and will build on the strengths of the current LHCb experiment and the Upgrade I. It will operate at a luminosity up to $ 2 imes 10^{34} m cm^{-2}s^{-1}$, ten times that of the Upgrade I detector. New detector components will improve the intrinsic performance of the experiment in certain key areas. An Expression Of Interest proposing Upgrade II was submitted in February 2017. The physics case for the Upgrade II is presented here in more depth. $CP$-violating phases will be measured with precisions unattainable at any other envisaged facility. The experiment will probe $b o s \ell^+\ell^-$ and $b o d \ell^+\ell^-$ transitions in both muon and electron decays in modes not accessible at Upgrade I. Minimal flavour violation will be tested with a precision measurement of the ratio of $B(B^0 oμ^+μ^-)/B(B_s^0 o μ^+μ^-)$. Probing charm $CP$ violation at the $10^{-5}$ level may result in its long sought discovery. Major advances in hadron spectroscopy will be possible, which will be powerful probes of low energy QCD. Upgrade II potentially will have the highest sensitivity of all the LHC experiments on the Higgs to charm-quark couplings. Generically, the new physics mass scale probed, for fixed couplings, will almost double compared with the pre-HL-LHC era; this extended reach for flavour physics is similar to that which would be achieved by the HE-LHC proposal for the energy frontier.

研究の動機と目的

• 希少なB中間子崩壊、特にb → sℓ⁺ℓ⁻およびb → dℓ⁺ℓ⁻遷移の精度測定を可能にすることで、HL-LHCにおけるフラバー物理学の探査範囲を拡大すること。
• B(B⁰ → μ⁺μ⁻)/B(Bₛ⁰ → μ⁺μ⁻)の比の精度測定を通じて、標準模型の最小フラバー不変性の予測を検証すること。
• 10⁻⁵レベルでのcharm崩壊におけるCP対称性破れの探索を行い、長年にわたるその発見を実現する可能性があること。
• より優れた検出器性能により、ハドロンスペクトロスコピーと低エネルギーQCDの探査を強化すること。
• Higgs粒子がcharm quarkと結合する際の、LHC実験の中で最高の感度を達成すること。

提案手法

• Upgrade II検出器は2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の光度で稼働し、Upgrade Iの10倍に相当する。これにより統計的データが増加し、測定精度が向上する。
• 長期間のシャットダウン4（2030年）に伴い、新たな検出器部品が設置される。具体的には、崩壊領域を全6面にわたって完全にインストルメンテーション化し、背景を抑制するとともに、頂点再構築を向上させる。
• 小型で低バックグラウンドな環境を設計することで、長寿命粒子（LLP）の検出を可能にし、時間飛行法によるLLPの運動量および質量再構築が可能なタイミングレイヤーの設置も検討されている。
• Upgrade-II時代には、フォーム因子に関する理論的不確実性が0.25倍に減少すると予想され、RK や RK* といった観測量の精度が向上する。
• 新しい物理の探査範囲は、角運動量観測量およびRKの実験的不確実性をウィルソン係数の制約に変換することで決定され、有効場理論解析にはflavioソフトウェアが使用される。
• 90%信頼水準で新しい物理スケール（ΛNP）の除外限界が計算され、関係式ΛNP ∝ 1/σ(C′)に従う。κ値は新しい物理モデルに依存し、例えば、木レベルではκ = 1、ループレベルのMFVではκ = VtbV*ts/(16π²)となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCb Upgrade IIは、10⁻⁵レベルの感度でcharm崩壊におけるCP対称性破れを測定でき、その発見に繋がる可能性があるか？
• RQ2 B(B⁰ → μ⁺μ⁻)/B(Bₛ⁰ → μ⁺μ⁻)の比に対する予想される精度はどの程度か？また、最小フラバー不変性の検証にどのように寄与するか？
• RQ3 HL-LHC時代の前段階の実験と比較して、フラバーに敏感な過程における新しい物理の探査範囲はどの程度拡大されるか？
• RQ4 Upgrade IIのHiggs粒子がcharm quarkと結合する際の感度は、他のLHC実験と比較してどの程度か？
• RQ5 検出器のボリューム全体にわたるトラッキングおよびタイミング機能は、長寿命粒子およびエキゾチックなHiggs崩壊の探査範囲をどの程度拡大できるか？

主な発見

• 固定結合を仮定した場合、LHCb Upgrade IIはpre-HL-LHC時代に比べて、新しい物理のスケールをほぼ2倍に拡大する。これは、HE-LHCのエネルギーフロントエンド計画で想定される探査範囲と一致する。
• 他の現在または計画中の施設では達成できない精度で、CP対称性破れ位相を測定することができる。
• B(B⁰ → μ⁺μ⁻)/B(Bₛ⁰ → μ⁺μ⁻)の比は高精度で測定され、最小フラバー不変性の厳しい検証が可能になる。
• 検出器のボリューム全体にわたるトラッキングおよびタイミング機能により、50 ps未満の時間分解能でLLPのブーストおよび質量を再構築でき、軽量で長寿命の粒子の探査範囲が拡大される。
• Upgrade-II時代には、フォーム因子に関する理論的不確実性が75%削減されると予想され、RK や RK* といった観測量の精度が著しく向上する。
• LHCbの地下施設に統合されたCODEX-b拡張装置により、mϕ < 1 GeVおよびcτが10 mに達する範囲での長寿命粒子の探査範囲が拡大され、この分野で他の実験を上回る性能を発揮する。