[論文レビュー] Physics case of FCC-ee

D. d’Enterria|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、90–350 GeVの中心系エネルギーの将来の電子-陽電子衝突型加速器FCC-eeを提案し、多重量子反応断面積（multi-ab⁻¹）と1 MeV未満のビームエネルギー分解能を用いて、Z、W、ヒッグス、トップクォークの性質を高精度で測定することを目的としている。これにより、ヒッグスカップリングに関しては7 TeV、電弱カップリングに関しては100 TeVまでの新物理の間接的制約が可能となり、希少崩壊を通じてダークマターおよびステアラルニュートリノに対しても競争的な感度が得られる。

ABSTRACT

The physics case for electron-positron beams at the Future Circular Collider (FCC-ee) is succinctly summarized. The FCC-ee core program involves $e^+e^-$ collisions at $\sqrt{s}$ = 90, 160, 240, and 350 GeV with multi-ab$^{-1}$ integrated luminosities, yielding about 10$^{12}$ Z bosons, 10$^{8}$ W$^+$W$^-$ pairs, 10$^{6}$ Higgs bosons and 4$\cdot$10$^{5}$ $t\bar{t}$ pairs per year. The huge luminosities combined with $\cal{100}$ keV knowledge of the c.m. energy will allow for Standard Model studies at unrivaled precision. Indirect constraints on new physics can thereby be placed up to scales $Λ_{_{ m NP}} \approx$ 7 and 100 TeV for particles coupling respectively to the Higgs and electroweak bosons.

研究の動機と目的

• FCC-eeにおける高精度物理学計画を確立し、標準模型を前例のない精度で探査すること。
• 電弱およびヒッグス系のパラメータの高精度測定を通じて、標準模型を超える新物理（BSM）に対する間接的制約を設定すること。
• Zおよびヒッグスボソンの希少崩壊を探索し、ダークマターおよびステアラルニュートリノに対する直接的感度を得ること。
• 主要なカップリングおよび質量において千分率レベルの精度を達成し、100 TeVスケールの新物理の感度を可能にすること。
• 円形$e^+e^-$衝突型加速器がハドロン衝突型加速器に比べて、高精度研究およびモデルに依存しない探索において有する独自の利点を示すこと。

提案手法

• $√{s} = 90$, 160, 240, および 350 GeVでの$e^+e^-$衝突を、1年あたり最大10 ab⁻¹の統合された断面積で実施する。
• 共鳴状態の横方向偏光分解法を用いてビームエネルギーを高精度に校正し、$±$100 keVのエネルギー分解能を達成する。
• Zボソンのピーク（$√{s} \approx$ 91 GeV）および$W^+W^-$閾値（$\approx$ 160 GeV）の近傍で閾値スキャンを実施し、高精度パラメータを抽出する。
• $e^+e^- \to t\bar{t}$およびZボソン崩壊の微分的断面積を測定し、トップクォークおよび電弱カップリングを0.1%レベルで探査する。
• $H \to \ell^+\ell^-$および$H$-ストレーリング過程を用いて、ヒッグスボソンの全幅および非可視分岐比を0.2%の絶対精度で測定する。
• 希少崩壊$Z \to \ell^+\ell^-$、$H \to \gamma\gamma$、$Z\gamma$、および$\ell^+\ell^-$を分析し、非可視ヒッグス崩壊および異常カップリングを探査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-eeにおける高精度測定からの間接的制約によって、新物理の最大エネルギースケール$Λ_{\rm NP}$はどの程度まで探査可能か？
• RQ2 ヒッグスボソンの全幅および非可視分岐比はどの程度の精度で測定可能か？また、$m_{\rm DM} < m_Z/2$の範囲におけるダークマター感度は？
• RQ3 $g_{\rm HZZ}$カップリングは0.15%の精度で測定可能か？その結果、スカラー系における新物理の制約は？
• RQ4 FCC-eeは$Z \to N\ell$崩壊を通じてステアラルニュートリノに対してどの程度の感度を持つのか？既存の制限と比較すると？
• RQ5 $H \to \rho\gamma$や$H \to e^+e^-$のような希少ヒッグス崩壊はどの程度観測可能か？また、フェルミオンのユカワカップリングに関する情報を何が明らかにするか？

主な発見

• FCC-eeは、350 GeVで10 ab⁻¹の統合断面積を有する場合、1年間に約10¹²個のZボソン、10⁸対の$W^+W^-$、10⁶個のヒッグスボソン、4×10⁵対の$t\bar{t}$を生成可能である。
• ±100 keVのビームエネルギー分解能により、$m_Z$、$m_W$、$m_t$において千分率レベルの精度が達成され、現在の測定と比較して系統誤差が約25分の1に低減される。
• 複数の崩壊チャネルを組み合わせることで、ヒッグスボソンの全幅を$\mathcal{O}(1\%)$の不確かさで測定可能であり、非可視分岐比は0.2%の絶対精度で測定可能である。
• 信号が観測されない場合、ヒッグス非可視分岐比に対して95%信頼区間で0.5%の上限を設定可能であり、ダークマターモデルに対する強い制約が得られる。
• ヒッグス系へのカップリングに関しては、$\Lambda_{\rm NP} \gtrsim$ 7 TeV、電弱ボソンへのカップリングに関しては$\Lambda_{\rm NP} \gtrsim$ 100 TeVの新物理スケールに対する間接的制約が可能である。
• FCC-eeは$Z \to N\ell$崩壊を通じて、質量が60 GeVまで、混合角が$\sin^2 2\theta \sim 10^{-10}$まで探査可能であり、類似する制限に比して画期的な限界を設定する。