[論文レビュー] The collider landscape: which collider for establishing the SM instability?

Roberto Franceschini, Алессандро Струмиа+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、新しい物理学が存在しない場合、近い将来の衝突型加速器の最も価値ある目標は、トップクォーク質量と強い結合定数の不確実性を低減することでヒッグスポテンシャルの不安定化スケールを正確に測定することであると主張している。著者らは、低出力のe⁺e⁻衝突型加速器、もしくは初期段階のミューオン衝突型加速器によるt¯t閾値スキャンが、必要な精度を達成できることを提案している。これにより、標準模型の真空安定性の検証および真空の多様な配置の中での人間中心的選択の可能性を検証できるようになる。

ABSTRACT

Capabilities of future colliders are usually discussed assuming specific hypothetical new physics. We consider the opposite possibility: that no new physics is accessible, and we want to learn if the unnatural Standard Model is part of a vast landscape. We argue that a main step in this direction would be establishing the possible instability scale of the Higgs potential. This primarily needs reducing the uncertainty on the strong coupling and on the top quark mass. We show that the top quark mass can be measured well enough via a tt ̄ threshold scan with low 1033 cm−2sec−1 luminosity, that seems achievable at a ‘small’ e+e− collider in the LEP tunnel, or at a muon collider demonstrator.

研究の動機と目的

• アクセス可能なエネルギーで新しい物理学が発見されない場合の、最も戦略的な価値のある衝突型加速器プロジェクトを特定すること。
• 特にトップクォーク質量と強い結合定数の高精度測定が、ヒッグスポテンシャルの不安定化スケールをどのように探査できるかを評価すること。
• 多宇宙もしくは真空の配置の文脈において、高精度な標準模型パラメータ測定の情報理論的価値を評価すること。
• LEPトンネル内に設置される「小型」の衝突型加速器、もしくは初期段階のミューオン衝突型加速器が、真空安定性の検証に必要な精度を達成できるかどうかを特定すること。
• 基本的パラメータの測定から得られる情報量を定量化すること、特に、巨大な数の可能な真空の配置の中での標準模型の真空の位置を特定する関連において。

提案手法

• 低出力（約10³³ cm⁻²s⁻¹）のe⁺e⁻衝突型加速器におけるt¯t閾値スキャンを提案し、トップクォーク質量の高精度測定を可能にする。
• 情報理論、特に条件付きエントロピーを用いて、基本的パラメータの測定が真空の配置の知識に与える情報量を定量化する。
• シャノン情報理論を用いて、標準模型および宇宙論的パラメータの現在の測定から得られるe-ビットの数を推定する。
• 2つのシナリオを検討する：小さいパラメータの先頭ゼロが情報を持つ場合（例：yμ ≈ 0.0006）、および自然なメカニズムが小さい値を生むため情報を持たない場合。
• 理論的不確実性が真空配置の予測に与える影響を分析するが、主な分析では実験的情報の獲得を分離するためにこれらはほとんど無視される。
• 現在の測定の情報量（ゼロが情報を持つと仮定すると約655 e-ビット、そうでないとすると約160 e-ビット）を、約10⁵⁰⁰の真空の配置の中での標準模型の真空の位置特定に必要な情報量（約1150 e-ビット）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低出力のe⁺e⁻衝突型加速器、もしくは初期段階のミューオン衝突型加速器は、ヒッグスポテンシャルの不安定性を検証するために必要な精度でトップクォーク質量と強い結合定数を測定できるか？
• RQ2 現在の標準模型パラメータの高精度測定は、仮想の真空の配置の中での標準模型の真空の位置を特定するのに、どの程度の情報を提供するか？
• RQ3 真空安定性の文脈において、トップクォーク質量と強い結合定数の測定の情報理論的価値は、他の標準模型パラメータと比べてどの程度か？
• RQ4 真空配置の予測における理論的不確実性は、実験的測定からの情報獲得にどのように影響するか？
• RQ5 新しい物理学の発見なしに、ヒッグスポテンシャルの不安定化スケールをどの程度まで特定できるか。また、この目的に最適な衝突型加速器の設定は何か？

主な発見

• 出力が約10³³ cm⁻²s⁻¹のe⁺e⁻衝突型加速器におけるt¯t閾値スキャンは、ヒッグスポテンシャルの不安定性を検証するための必要な精度でトップクォーク質量と強い結合定数を測定可能である。
• トップクォーク質量と強い結合定数の測定から得られる情報量は、ヒッグスポテンシャルが高エネルギーでより深い最小値を持つかどうかを決定する上で極めて重要である。
• 約10⁵⁰⁰の真空の配置の中での標準模型の真空の位置を特定するには約1150 e-ビットの情報が必要であり、現在の測定では不足しているが、必須の第一歩である。
• この論文は、新しい物理学が存在しない状況下でも、ヒッグスポテンシャルの不安定化スケールが将来的な衝突型加速器の重要なターゲットであることを示しており、標準模型が広範な配置の中での位置づけに関する構造的情報を提供する。
• 分析により、特に真空安定性のような臨界遷移に近い基本的パラメータの高精度測定が、多宇宙シナリオにおいて顕著な情報理論的価値を持つことが明らかになった。