[論文レビュー] Report of the Topical Group on Physics Beyond the Standard Model at Energy Frontier for Snowmass 2021

T. Bose, A. Boveia+320 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

このSnowmass 2021レポートは、エネルギー・フロントランの領域における標準模型を越える物理学（BSM）の発見の戦略的ロードマップを提示し、HL-LHCのアップグレード、将来のe+e−ヒッグスファクトリー、およびマルチTeVコライダーの提言を行う。この報告書は、これらの施設がスプライス系統計、ダークフォトン、ヒッグスの非可視崩壊、隠れたセクターに対する感受性を顕著に向上させることを示しており、特に自然なSUSYと熱的WIMPsの探査範囲を最大で2桁の程度まで拡大することが可能である。

ABSTRACT

This is the Snowmass2021 Energy Frontier (EF) Beyond the Standard Model (BSM) report. It combines the EF topical group reports of EF08 (Model-specific explorations), EF09 (More general explorations), and EF10 (Dark Matter at Colliders). The report includes a general introduction to BSM motivations and the comparative prospects for proposed future experiments for a broad range of potential BSM models and signatures, including compositeness, SUSY, leptoquarks, more general new bosons and fermions, long-lived particles, dark matter, charged-lepton flavor violation, and anomaly detection.

研究の動機と目的

• 将来の高エネルギー・コライダーの、標準模型を越える物理学の発見可能性を評価すること。
• スプライス系統計、ダークフォトン、ヒッグスの非可視崩壊といった、エネルギー・フロントランで特に容易に探査可能な主要なBSM現象を特定すること。
• 提案された施設における感受性の向上を数量的に評価することで、米国および国際的な資金配分の優先順位を導くこと。
• レア過程やダークマター信号を含む他のフロントランと統合し、エネルギー・フロントランの取り組みを統合すること。
• 次世代の発見を可能にするために、加速器、検出器、コンピューティング分野における連携された研究開発を提唱すること。

提案手法

• HL-LHCのアップグレード、e+e−ヒッグスファクトリー、およびマルチTeVコライダー（ハドロン、ミューオン、またはe+e−/γγ）の段階的実験プログラムを提言する。
• モンテカルロシミュレーションと理論的モデリングを用いて、異なるコライダー種別におけるBSM信号の感受性向上を予測する。
• 精密なヒッグス測定としきい値スキャン（例：Zピール、トップ対生成、WWしきい値）を用いて、弱い結合を持つ新しい物理学を探査する。
• 低エネルギーおよび中程度エネルギーでの高インテンシティe+e−衝突を用いて、新しい物理学に対する間接的制約を評価する。
• ベンチマークモデル（例：自然なSUSY、ヒッグスイノ様のWIMPs、ダークフォトン）を用いて、コライダー種別における発見範囲を比較する。
• 将来の発見を可能にする基盤として、加速器の研究開発、検出器開発、コンピューティングインfraの統合を不可欠なものとして位置づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCは、圧縮されたスプライス系統計およびダークフォトン結合定数に対する感受性をどの程度向上させるか？
• RQ2 将来のe+e−ヒッグスファクトリーは、奇妙なヒッグス崩壊および弱い結合を持つ隠れたセクターをどの程度探査可能か？
• RQ3 マルチTeVコライダーは、ネーチャルネススケールの新しい物理学および熱的WIMPダークマターに対して、どの程度の探査範囲を有するか？
• RQ4 Zピールおよびトップしきい値での精密測定は、直接生成を除く新しい物理学をどの程度制約するか？
• RQ5 エネルギー・フロントランの発見と、レア崩壊やg-2測定における異常との間には、どのような相乗効果があるか？

主な発見

• HL-LHCは、RPCストップ・スキュークスおよび圧縮されたヒッグスイノに対して感受性を1.5～2倍まで向上させ、自然なSUSYのパラメータ空間の広い領域をカバー可能となる。
• ヒッグスファクトリーは、ダークフォトン結合定数に対する感受性を1桁向上させ、ヒッグスの非可視ブランチ比測定の感受性を4倍に向上させる。
• マルチTeVコライダーは、HL-LHCに比べて熱的WIMPダークマターの探査範囲を最大で2桁まで拡大可能となる。
• Zピールおよびトップしきい値での精密測定は、ダークフォトンを含む弱い結合を持つ新しい物理学を顕著に制約する。
• 統合されたプログラムにより、HL-LHCの直接的探査範囲を超える、小さな結合定数を持つ隠れたセクターへの間接的アクセスが可能となる。
• 本報告書は、将来のコライダーの全発見可能性を実現するため、加速器、検出器、コンピューティング分野における連携された研究開発の重要性を強く主張する。