[論文レビュー] Study of Electroweak Interactions at the Energy Frontier

M. A. Baak, A. Blondel+47 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 49

ひとこと要約

本稿は、将来の高エネルギー加速器における精度電弱測定が、標準模型（SM）を超える新しい物理を探るのをどのように支援するかを調査している。主な焦点は、$M_W$ や $ \sin^2\theta_{\text{eff}}^\ell$ といった電弱精度観測量（EWPOs）およびトライボソン生成やベクトルボソン散乱といった多ボソン生成過程である。本研究では、HL-LHC および 100 TeV $pp$ 加速器が、異常な四次ゲージ結合や次元8の演算子を探る上で不可欠であることを示しており、これらの過程において、LHC は ILC よりも高エネルギー領域のダイナミクスをより優れた感度で探ることができる。

ABSTRACT

With the discovery of the Higgs boson, the spectrum of particles in the Standard Model (SM) is complete. It is more important than ever to perform precision measurements and to test for deviations from SM predictions in the electroweak sector. In this report, we investigate two themes in the arena of precision electroweak measurements: the electroweak precision observables (EWPOs) that test the particle content and couplings in the SM and the minimal supersymmetric SM, and the measurements involving multiple gauge bosons in the final state which provide unique probes of the basic tenets of electroweak symmetry breaking. Among the important EWPOs we focus our discussion on M_W and sin^2 theta_eff^l, and on anomalous quartic gauge couplings probed by triboson production and vector boson scattering. We investigate the thresholds of precision that need to be achieved in order to be sensitive to new physics. We study the precision that can be achieved at various facilities on these observables. We discuss the calculational tools needed to predict SM rates and distributions in order to perform these measurements at the required precision. This report summarizes the work of the Energy Frontier Precision Study of Electroweak Interactions working group of the 2013 Community Summer Study (Snowmass).

研究の動機と目的

• 将来の加速器が、電弱精度観測量（EWPOs）—特に $M_W$ および $\sin^2\theta_{\text{eff}}^\ell$ —における標準模型予測からのずれにどの程度感度を持つのかを評価し、新しい物理の探査手段とする。
• 特にトライボソン生成およびベクトルボソン散乱を含む多ボソン最終状態が、異常な四次ゲージ結合および高次元演算子を探査する可能性を評価する。
• 将来の施設（例：HL-LHC、100 TeV $pp$ 加速器、ILC）におけるエネルギーおよび光度の閾値を特定し、現在の実験では到達できない範囲の新しい物理を探査する感度を達成する条件を同定する。
• LHC と将来の線形加速器（例：ILC1000）が、次元6と次元8の演算子といった異なる種類の新しい物理をどの程度探査できるかを比較する。
• 効果的場理論（EFT）フレームワークを構築・適用し、モデルに依存しない方法で新しい物理効果をパrameter化することで、多様なBSM状況における精度測定の解釈を可能にする。

提案手法

• 高次元演算子で記述される新しい物理を、スケール $\Lambda$ で抑制された演算子を用いた効果的場理論（EFT）形式で記述する。ラグランジアンは $\mathcal{L}_{\text{EFT}} = \mathcal{L}_{\text{SM}} + \sum_{d>4} \sum_i \frac{c_i}{\Lambda^{d-4}} \mathcal{O}_i$ である。
• 高精度な量子場理論ツールを用いて、標準模型の率および分布を精度よく計算し、実験データと1%未満の精度で比較可能にする。
• LHC および将来の加速器における $W^+W^-Z$、$W^+W^-\gamma$、$W^+W^-W^-$ 終状態のシミュレーションを通じて、異常な三粒子および四粒子ゲージ結合への感度を分析する。
• 異常な断面積のエネルギー依存性を評価し、特にベクトルボソン散乱およびトライボソン生成において、新しい物理のダイナミクスを探査する。
• HL-LHC（300 fb$^{-1}$）と100 TeV $pp$ 加速器が次元8の演算子を検出する感度を比較し、2〜3倍の感度向上が見られた。
• LHC と ILC1000 が異なるEFT演算子をどの程度探査できるかを比較：次元8（四次結合）の探査ではLHCが優位であり、次元6（三粒子結合）の探査ではILC1000が優位である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型を超える新しい物理を探査するためには、$M_W$ および $\sin^2\theta_{\text{eff}}^\ell$ のどの程度の精度が必要か？
• RQ2 高エネルギー加速器におけるトライボソン生成およびベクトルボソン散乱は、異常な四次ゲージ結合および高次元演算子をどのように探査できるか？
• RQ3 HL-LHC および 100 TeV $pp$ 加速器が次元8の演算子に対してどの程度の感度を持つのか？ また、LHC が 300 fb$^{-1}$ のときの感度と比べてどうなるか？
• RQ4 なぜLHCは異常な四次ゲージ結合に対して ILC1000 よりも感度が高く、その優位性がどのエネルギー領域で拡大するのか？
• RQ5 効果的場理論（EFT）は、さまざまなBSM状況において、モデルに依存しない方法で精度測定を解釈するためにどのように利用できるか？

主な発見

• HL-LHC が 300 fb$^{-1}$ の統合光度を持つ場合でも、ヒッグス粒子の $W$ および $Z$ ボソンとの結合がベクトルボソン散乱のユニタリティを保つために不可欠であるかどうかを確認するには、さらに高い光度またはエネルギーが必要である。
• HL-LHC では、LHC が 300 fb$^{-1}$ のときと比較して、高次元演算子への感度が2〜3倍向上しており、新しい物理の探査における顕著な進展が示された。
• トライボソン生成およびベクトルボソン散乱は、次元8の演算子を探査する上で感度が高く、補完的である。これらの断面積はビームエネルギーの増加に伴い急激に増加する。
• LHC は、異常な四次ゲージ結合（次元8の演算子によって誘導）に対して、LEP やテバトロンと比較して1〜2桁の感度の向上を示しており、これは異常断面積のエネルギー依存性によるものである。
• 異常な三粒子ゲージ結合（次元6の演算子）の探査においては、ILC1000 が LHC よりも顕著に高い感度を持つため、両施設の相補的役割が顕著に現れる。
• 異常な四次結合が電弱共鳴状態によって生じる場合、LHC は ILC1000 よりも2倍以上高い共鳴状態質量を検出可能である。これは断面積のエネルギー依存性が強いことに起因する。