[論文レビュー] Proton-proton and electron-positron collider in a 100 km ring at Fermilab

C.M. Bhat, P. C. Bhat+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブで100 kmの円形衝突型加速器リングを提案し、100 TeVプロトン-プロトン衝突と90–350 GeV電子-陽電子衝突を両立可能とする。pp衝突型は新しい重い粒子の発見とヒッグス粒子の高精度研究を可能にし、e+e−衝突型はヒッグス工場として機能し、トップクォークの閾値まで精密な電弱測定が可能となる。

ABSTRACT

The discovery of a Higgs-like boson with mass near 126 GeV, at the LHC, has reignited interest in future energy frontier colliders. We propose here a proton-proton (pp) collider in a 100 km ring, with center of mass (CM) energy of ~100 TeV which would have substantial discovery potential for new heavy particles and new physics beyond the Standard Model. In the case that LHC experiments have already found exotic resonances or heavy "partner" particles, this collider could fill out the "tower" of resonances (thus e.g. confirming an extra dimension) or the full suite of partner particles (e.g. for supersymmetry). The high luminosity of the new collider would enable unique precision studies of the Higgs boson (including Higgs self coupling and rare Higgs decays), and its higher energy would allow more complete measurements of vector boson scattering to help elucidate electroweak symmetry breaking. We also discuss an e+e- collider in the same 100 km ring with CM energies from 90 to 350 GeV. This collider would enable precision electroweak measurements up to the ttbar threshold, and serve as a Higgs factory.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新物理を探索する次世代のエネルギー・フロントの衝突型加速器をフェルミラブに提言すること。
• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での発見に続く、ヒッグス粒子の自己結合定数や希少崩壊の高精度測定を可能にすること。
• 奇妙な状態が発見された場合、共鳴状態または超対称的パートナーのスケーリングを完成できる施設を提供すること。
• 高輝度e+e−衝突型を提供し、電弱物理学およびヒッグス粒子の高精度研究を可能にすること。
• ppおよびe+e−モードの両方を1つの100 kmリングインfraで実現し、コスト効率と科学的到達範囲を最大化すること。

提案手法

• 100 TeVの中心系エネルギーを実現できる高効率の超伝導磁石を用いて、プロトン-プロトンおよび電子-陽電子衝突に最適化された100 kmの超伝導リングを設計する。
• 100 TeVの中心系エネルギーを達成するため、高磁場超伝導磁石を用いる。
• 高輝度運転を実現し、ヒッグス粒子の希少崩壊や精密結合定数の測定を可能にする。
• 90 GeVから350 GeVの中心系エネルギー範囲でe+e−衝突を実現し、ZボソンおよびWボソンの共鳴領域とトップクォークの閾値をカバーする。
• 既存のフェルミラブのインfraと専門知識を活用し、1つのリングで二重モードの衝突型加速器を実現する。
• ビームダイナミクスおよびラティス設計技術を適用し、両モードで安定性と高輝度を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの100 kmリングが、100 TeV pp衝突型と十分な性能を持つ高輝度e+e−衝突型を両立できるか？
• RQ2 100 TeV pp衝突型では、新しい重い共鳴状態や超対称的パートナーの発見可能性はどの程度か？
• RQ3 この施設では、ヒッグス粒子の自己結合定数や希少崩壊をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ4 ベクトルボソン散乱過程はどの程度までプローブ可能となり、電弱対称性の spontaneously broken メカニズムの解明に寄与できるか？
• RQ5 e+e−モードが高精度ヒッグス工場として機能し、tt̄閾値付近の測定を可能にするか？

主な発見

• 提案された100 kmリングは、標準模型を超える新しい重い粒子の発見可能性を有する100 TeV pp衝突型として実現可能である。
• 高輝度により、ヒッグス粒子の自己結合定数や希少崩壊の高精度研究が可能となる。
• e+e−モードは90 GeVから350 GeVの中心系エネルギーをカバーし、電弱物理学の高精度測定に最適なヒッグス工場を提供する。
• この施設では、電弱対称性の spontaneously broken メカニズムの解明に寄与するベクトルボソン散乱過程をプローブ可能である。
• LHCで奇妙な共鳴状態や超対称的パートナーが発見された場合、この加速器はそれらのスペクトル的パターンを完成できる。
• 1つのリングで二重モードを実現するアプローチにより、次世代のエネルギー・フロント物理学へのコスト効率の高い道筋が提供される。