[論文レビュー] Physics Motivations for Future CERN Accelerators

A. De Roeck, John Ellis+1 more|ArXiv.org|Dec 4, 2001

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、標準模型を超える素粒子物理学を探索するための将来のCERN加速器のオプションを評価し、LHCの光度アップグレード（SLHC）、高エネルギーでの新物理の精密研究のためのCLIC、30 TeVまで探査可能なバリエーション・バリオン・ハドロン・コライダー（VLHC）、および補完的なニュートリノ振動とCP対称性の破れの研究のためのミューオンベースのニュートリノ工場を提案している。結論として、CLICとSLHCは、技術的・財政的投資を管理可能な範囲に抑えながら、長期的な科学的リターンが著しいとされる。

ABSTRACT

We summarize the physics motivations for future accelerators at CERN. We argue that (a) a luminosity upgrade for the LHC could provide good physics return for a relatively modest capital investment, (b) CLIC would provide excellent long-term perspectives within many speculative scenarios for physics beyond the Standard Model, (c) a Very Large Hadron Collider could provide the first opportunity to explore the energy range up to about 30 TeV, (d) a neutrino factory based on a muon storage ring would provide an exciting and complementary scientific programme and a muon collider could be an interesting later option.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える未解決の素粒子物理学の問題に応える将来のCERN加速器プロジェクトを特定・評価すること。
• ハドロンおよびレプトンコライダーを含む、さまざまな将来のコライダー設計の科学的潜在能力を、高エネルギーでの新物理の探査に焦点を当てて評価すること。
• LHCのデータを踏まえて、比較的少ない資本投資で最大の物理学的リターンを得られる将来のプロジェクトを特定すること。
• ミューオンベース施設（ニュートリノ工場やミューオンコライダーを含む）の実現可能性と科学的影響を検討し、LHC以降の代替的・補完的ルートとしての可能性を検討すること。
• 現在のデータからの理論的動機づけと実験的制約を踏まえて、CERNの将来加速器計画の長期的計画を支援すること。

提案手法

• 予想される光度および中心系エネルギーを用いて、ハドロンコライダー（LHC、SLHC、VLHC）、線形 $e^+e^-$ コライダー（CLIC）、およびミューオンベース施設の物理学的到達範囲を分析する。
• スクアーカー、スレプトン、$Z'$ ボソン、コンポジットスケール、$W_LW_L$ 散乱といった、主要な新物理のシグネチャーにおけるコライダー間の感度を比較する。
• 発見可能性と統計的有意性を推定するために、100 fb⁻¹（LHC、VLHC）、500 fb⁻¹（LC）、1000 fb⁻¹（SLHC、CLIC）の統合光度を仮定する。
• 有効場理論パラメータ（$\lambda_\gamma$、$\Lambda_{\text{compos}}$）を用いた三重ゲージ結合（TGC）測定とヒッグスのコンポジット性の到達範囲を評価する。
• ニュートリノ工場のためのミューオン冷却と貯蔵の実現可能性を評価し、ヒッグスの線形形状とCP対称性の破れの研究に向けたミューオンコライダーの可能性を検討する。
• 施設の技術的・空間的制約、特にサイトの適合性と開発スケジュールを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の実験的・理論的制約を踏まえた場合、CERNにおける次世代加速器として最適なのは何か？
• RQ2 CLICの物理学的到達範囲は、LHCおよび将来のハドロンコライダーと比較して、弱い相互作用を示す新粒子を検出する能力においてどのように異なるか？
• RQ3 LHCの光度アップグレード（SLHC）の科学的価値は、コスト対物理学的リターンという観点からどのように評価できるか？
• RQ4 ミューオン貯蔵リングを基盤とするニュートリノ工場は、他の施設では得られないCP対称性の破れやグランドユニフィケーションに関する独自の知見を提供できるか？
• RQ5 200 TeVの中心系エネルギーを持つバリエーション・バリオン・ハドロン・コライダー（VLHC）は、どのような条件下で正当化されるべきであり、その主な物理学的目的は何か？

主な発見

• LHCの光度を $10^{35}$ cm⁻²s⁻¹ までアップグレードするSLHCは、比較的少ない資本投資で著しい物理学的リターンをもたらし、LHCの発見可能性を顕著に向上させる。
• 中心系エネルギー3–5 TeV、高い光度を有するCLICは、スレーブスケールや大次元の追加空間といった弱い結合系のシナリオにおいて、新物理の精密研究に優れた長期的展望を提供する。
• 中心系エネルギーが200 TeVに達するVLHCは、50 TeVスケールで新物理の兆候が示された場合に、30 TeVスケールまでの新粒子を直接探査するために不可欠である。
• ミューオン貯蔵リングを基盤とするニュートリノ工場は、長基準長ニュートリノ振動、物質効果、およびレプトン系におけるCP対称性の破れを研究する独自の機会を提供する。
• ミューオンコライダーは、ヒッグスの線形形状の精密測定とヒッグス系におけるCP対称性の破れの研究を可能にするが、技術的課題と長期的な開発スケジュールのため、近い将来の実現は限定的である。
• CLICの物理学的到達範囲は、TGC測定において感度0.00008を達成するなど、LHCを上回る重要な精密測定において顕著に優れている。また、400 TeVまで到達可能なコンポジットスケールの探査にも優れている。