[論文レビュー] Prospective Studies for LEP3 with the CMS Detector

P. Azzi, C. Bernet+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2012

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

ひとこと要約

本論文は、CERNのLHCトンネル内に既存のCMS検出器を活用し、√s = 240 GeVで動作する予定の高インスタンタス luminosity e⁺e⁻衝突型加速器であるLEP3を用いて、ヒッグスボソンの高精度な研究を行う可能性を提案している。慎重な仮定のもとでも、LEP3は、より高いインスタントラス luminosityとマルチ検出器運用による利点から、ILCの予想精度よりも2–3倍高い精度でヒッグスカップリングを測定可能であると判明した。

ABSTRACT

On July 4, 2012, the discovery of a new boson, with mass around 125 GeV/c2 and with properties compatible with those of a standard-model Higgs boson, was announced at CERN. In this context, a high-luminosity electron-positron collider ring, operating in the LHC tunnel at a centre-of-mass energy of 240 GeV and called LEP3, becomes an attractive opportunity both from financial and scientific point of views. The performance and the suitability of the CMS detector are evaluated, with emphasis on an accurate measurement of the Higgs boson properties. The precision expected for the Higgs boson couplings is found to be significantly better than that predicted by Linear Collider studies.

研究の動機と目的

• 提案された高インスタンタス luminosity e⁺e⁻衝突型加速器（LEP3）における、ヒッグスボソンの性質を高精度に測定するためのCMS検出器の適性を評価すること。
• √s = 240 GeVで動作するLEP3の物理学的ポテンシャルを、ヒッグスカップリングの高精度測定の観点から評価すること。
• ヒッグスカップリング（フェルミオンおよびゲージボソンへのカップリング）の期待精度を、国際線形加速器（ILC）の予想と比較すること。
• コライダー環構成が、インスタントラス luminosityと検出器のマルチプル運用という点で、高精度なヒッグス物理学において線形加速器設計に比べて顕著な利点を提供することを示すこと。

提案手法

• 実データでキャリブレーションされた、現実的なノイズ、ドアチャンネル、マテリアルバンジェットを含む、CMS検出器のフルシミュレーションを用いた。
• 100 fb⁻¹の統合 luminosityを仮定し、√s = 240 GeVのLEP3におけるCMS検出器を用いたヒッグスボソンカップリング測定の予測を実施した。
• シミュレートされたイベントからの統計的不確実性を用いて、ヒッグスカップリング（g_Hff, g_HVV）およびヒッグスボソン質量（m_H）の精度を評価した。
• 同一の解析フレームワークと慎重な仮定を用いて、LEP3の性能とILCの予想を比較した。
• 高インスタントラス luminosityとマルチ検出器運用が、系統的不確実性の低減に与える影響を評価した。
• 妥当なシミュレーションツールと実検出器データを用いて、ビームストラールングおよび検出器応答効果を組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEP3において、CMS検出器はフェルミオンおよびゲージボソンへのヒッグスボソンカップリングを1%未満の精度で測定可能だろうか？
• RQ2 慎重な仮定のもとで、LEP3におけるヒッグスカップリング測定の期待精度は、ILCのそれと比べてどの程度か？
• RQ3 コライダー環構成（例：より高いインスタントラス luminosity、マルチ検出器運用）は、線形加速器設計に比べて、高精度なヒッグス物理学においてどのような利点を提供するか？
• RQ4 既存のLHCトンネルとインfra構造を活用することで、将来のe⁺e⁻衝突型加速器のコスト削減と導入の加速にどの程度寄与できるか？
• RQ5 LEP3計画は、電弱精度測定からの間接的ヒッグスボソン質量予測の精度を顕著に向上させられるか？

主な発見

• 慎重な仮定のもとでも、LEP3におけるフェルミオン（μ, τ, b）およびゲージボソン（W, Z）へのヒッグスカップリングの期待精度は、最新のILC予想よりも2–3倍高い。
• ヒッグスボソンとボトムクォークのカップリング（g_Hbb）については、予想される精度が8%であり、トップクォークカップリング（g_Htt）についても同様に8%であり、いずれもILCの推定値を大きく上回る。
• LEP3ではヒッグスボソン質量を11 MeV/c²の精度で測定可能であり、これはILCの予想精度（37 MeV/c²）を上回る。
• LEP3における高いインスタントラス luminosityとマルチ検出器運用の組み合わせにより、ギガZファクトリーがテラZファクトリーに進化し得る。その結果、Zポール測定精度が25–100倍向上する可能性がある。
• 高い luminosityと低ピルアップのため、Wボソン質量は数MeV/c²の精度で測定可能であり、現在の精度より約50倍高い。
• LEP3ではトップクォーク質量を50 MeV/c²の精度で測定可能であり、これは高精度な電弱測定の可能性を示している。