[論文レビュー] SAPPHiRE: a Small Gamma-Gamma Higgs Factory

S. A. Bogacz, John Ellis+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 20

ひとこと要約

SAPPHiREは、2台の約10 GeVの再循環リニアックを用いて高インテンシティ光子-光子衝突を生成する、コストおよび時間的に効率的な$̳\gamma\gamma$ヒッグスファクトリを提案する。ピークフルエンスが$0.36\times10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$であるため、$\sqrt{s}_{\gamma\gamma} \sim 125$ GeVでヒッグスボソンの質量、結合定数、CP性質を高精度で測定可能である。

ABSTRACT

A new particle with mass ~ 125 GeV that resembles the Higgs boson has recently been discovered by ATLAS and CMS. We propose a low-energy gamma-gamma collider as a cost- and time-efficient option for a Higgs factory capable of studying this particle in detail. In the past, this option has been suggested as a possible application of the CLIC two-beam accelerator technology (the CLIC Higgs Experiment, CLICHE) or as an option for the ILC. Here we propose a design based on a pair of \sim 10 GeV recirculating Linacs (Small Accelerator for Photon-Photon Higgs production using Recirculating Electrons, SAPPHiRE) similar in design to those proposed for the LHeC. We present parameters for the e- beams and sketch a laser backscattering system capable of producing a gamma-gamma peak luminosity of 0.36 imes 10^34/cm2/s with E_CM (gamma-gamma) \sim 125 GeV. A gamma-gamma collider with such a luminosity could be used to measure accurately the mass, bbar, WW\ast, and gamma-gamma decays of the Higgs boson. We also comment on possible synergies with other projects such as LHeC, the ILC or CLIC, and on other physics prospects in gamma-gamma and e-gamma collisions.

研究の動機と目的

• 125 GeVのヒッグスボソンの詳細な研究のための$e^+e^-$ヒッグスファクトリの代替として、コストおよび時間的に効率的な選択肢を提示すること。
• LHeCで提案されたのと同様の再循環リニアック技術を活用し、低エネルギーで高フルエンスの$\gamma\gamma$衝突を実現すること。
• $\gamma\gamma$衝突を通じて、質量、崩壊分岐比、CP性質を含むヒッグスボソンの性質を高精度で測定すること。
• $e^+e^-$衝突機に比べて陽電子源の必要性を排除し、RFパワー要件を低減することで、コスト削減の可能性を提供すること。
• LHeC、ILC、CLICなどの既存プロジェクトとの連携可能性を検討し、単独の$\gamma\gamma$ヒッグスファクトリの実現可能性を評価すること。

提案手法

• 2台の約10 GeVの再循環電子リニアックを用いて、レーザー逆散乱に適した高輝度電子ビームを生成する。
• レーザー逆散乱系を導入し、$\gamma\gamma$衝突における中心系エネルギーを約125 GeVに達する。
• フルエンスを最大限に高めるために、発散角、エネルギー分散、バッチ長を最適化し、$0.36\times10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$を標榜する。
• 事前に約115 GeVのヒッグス生成に最適化されたCLICHE概念からのレーザー逆散乱系を応用する。
• 電子ビームおよび光子ビームの高い偏光度を活用し、CP奇・CP偶のヒッグス結合に対する感度を向上させる。
• $\gamma\gamma \to h$断面積および分岐比を用いて、主な崩壊モードのイベントレートと統計的精度を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再循環リニアックを基盤とする低エネルギー$\gamma\gamma$衝突機は、125 GeVにおけるヒッグスボソンの高精度測定に十分なフルエンスを達成できるか？
• RQ2 $e^+e^-$衝突機と比較して、$\gamma\gamma$ヒッグスファクトリがコスト、ビームエネルギー、運用の簡便性においてどのような利点を有するか？
• RQ3 $\gamma\gamma$衝突は、特に$\Gamma_{\gamma\gamma}$および$\Gamma_{WW^*}$について、ヒッグスボソンの分岐比および結合定数をどれほど高精度で測定可能か？
• RQ4 $\gamma\gamma$衝突機における$h \to \gamma\gamma$、$b\bar{b}$、$WW^*$崩壊の信号対雑音比と予想されるバックグラウンドをどのように比較できるか？
• RQ5 $\gamma\gamma$衝突を用いて、ヒッグスボソンの光子への結合のCP性質を測定する見込みはどの程度か？

主な発見

• SAPPHiREは、$\sqrt{s}_{\gamma\gamma} \sim 125$ GeVでピーク$\gamma\gamma$フルエンス$0.36\times10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$を達成し、1年間に数万個のヒッグスボソンを生成可能である。
• $h \to b\bar{b}$崩壊モードでは1年間に約11,540イベントが得られ、$\Gamma_{\gamma\gamma} \times \text{BR}(h \to b\bar{b})$の統計的不確実性は約2%である。
• $h \to WW^*$モードでは1年間に約4,300イベントが得られ、$\Gamma_{\gamma\gamma} \times \text{BR}(h \to WW^*)$の統計的不確実性は5%である。
• 希少な$h \to \gamma\gamma$崩壊モードでは1年間に約45イベントが得られ、$\Gamma_{\gamma\gamma} \times \text{BR}(h \to \gamma\gamma)$の統計的不確実性は8%である。
• ヒッグスボソンの質量は、$b\bar{b}$、$\gamma\gamma$、$ZZ^*$質量分布におけるピークフィッティングなど、複数の方法で高精度に測定可能である。
• ヒッグスボソンの光子への結合のCP性質は約5%の精度で測定可能であり、標準模型および新しい物理の感受性の高いテストが可能である。