[論文レビュー] The Future Circular Collider: a Summary for the US 2021 Snowmass Process

M. Abbrescia, E. Brost+42 more|KTH Publication Database DiVA (KTH Royal Institute of Technology)|Mar 12, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 23

ひとこと要約

このホワイトペーパーはFCCプログラム（FCC-eeに続きFCC-hh）を精密 Higgs、電弱、トップ、フレーバー、QCD、SM超え研究への道として描き、90km超のトンネルで高輝度 e+e− 衝突を可能にし、続いて100 TeV pp 衝突を実現する構想を示し、USの参加とCERNのインフラとの相乗効果を強調します。

ABSTRACT

In this white paper for the 2021 Snowmass process, we give a description of the proposed Future Circular Collider (FCC) project and its physics program. The paper summarizes and updates the discussion submitted to the European Strategy on Particle Physics. After construction of an approximately 90 km tunnel, an electron-positron collider based on established technologies allows world-record instantaneous luminosities at center-of-mass energies from the Z resonance up to tt thresholds, enabling a rich set of fundamental measurements including Higgs couplings determinations at the sub percent level, precision tests of the weak and strong forces, and searches for new particles, including dark matter, both directly and via virtual corrections or mixing. Among other possibilities, the FCC-ee will be able to (i) indirectly discover new particles coupling to the Higgs and/or electroweak bosons up to scales around 7 and 50 TeV, respectively; (ii) perform competitive SUSY tests at the loop level in regions not accessible at the LHC; (iii) study heavy-flavor and tau physics in ultra-rare decays beyond the LHC reach, and (iv) achieve the best potential in direct collider searches for dark matter, sterile neutrinos, and axion-like particles with masses up to around 90 GeV. The tunnel can then be reused for a proton-proton collider, establishing record center-of-mass collision energy, allowing unprecedented reach for direct searches for new particles up to the around 50 TeV scale, and a diverse program of measurements of the Standard Model and Higgs boson, including a precision measurement of the Higgs self-coupling, and conclusively testing weakly-interacting massive particle scenarios of thermal relic dark matter.

研究の動機と目的

• FCCプロジェクトとその物理プログラムを、長期的で世界的に協力する取り組みとして説明する。
• FCC-ee および FCC-hh の加速器設計、R&Dの必要性、サイト選定に関する要約。
• Higgs、電弱、トップ、フレーバー、QCD、および標準模型を超える物理潜在能力を評価。
• FCC-ee と FCC-hh の相乗効果と、見込まれるタイムラインとマイルストーンを説明。
• 検出器/計測系の課題と、R&Dおよび建設における米国の貢献の役割について論じる。

提案手法

• 基準となるFCC-ee運転シナリオと、Z極、WW閾値、ZH、tt̄エネルギーにわたる予測輝度を提示。
• モデル非依存的なヒッグス測定のための、ヒッグス生成モード（ZH、WW融合）と反動法を定量化。
• ヒッグス質量、幅、結合の精密研究を予測します。自己結合はループ効果と断面積測定を含む。
• 約100 TeVのpp衝突を伴うFCC-hhへの移行と予測統合輝度を概観し、直接探索と高精度のヒッグス/自己結合研究を可能にする。
• 加速器技術（Nb3Sn磁石、高磁場概念、RFシステム）と磁石開発、キャビティ、ビームダイナミクスにおける米国の貢献を論じる。
• 検出器/インタフェース要件と、FCC-eeとFCC-hhの測定が互いにどのように補完し合うかを要約。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-eeはヒッグス結合、質量、幅に対してどの程度の精度を達成できるか、そしてこれが新しい物理スケールへの感度へどう結びつくか？
• RQ2 FCCプログラムはヒッグス/電弱セクターのループ効果と混成を介して新粒子への間接的到達をどのように定量化するか？
• RQ3 FCC-ee から FCC-hh への移行の能力とタイムライン、資源と技術のマイルストーンを含む。
• RQ4 現行の衝突器施設と比較して、FCC-eeで電弱、トップ、フレーバー、およびQCD測定の精度がどのように改善されると期待されるか？
• RQ5 USの参加と資金供与を、FCCプログラムを世界的に実現するためにどのように統合できるか？

主な発見

• FCC-eeはほとんどの結合に対してサブパーセントレベルの精度でヒッグス特性を測定でき、質量を数MeVレベル、幅をパーセントレベルの精度で達成する。
• Direct and indirect searches at FCC-ee extend sensitivity to new physics scales up to ~7 TeV (HXX couplings) and ~50 TeV (EW/Higgs interactions) via loop effects and mixing.
• FCC-hh would provide order-of-magnitude increases in energy reach, enabling direct searches up to ~50 TeV scales and a precision program for Higgs self-coupling and SM tests with large data sets.
• The FCC-ee and FCC-hh programs are highly synergistic: absolute coupling determinations at FCC-ee feed into absolute measurements at FCC-hh, enabling model-independent Higgs and top studies.
• US involvement and magnet/R&D programs (Nb3Sn, HTS, high-field magnets, rf cavities) are emphasized as critical to feasibility and scientific success.
• The FCC design leverages existing accelerator knowledge (VEPP-4M, DAΦNE, SuperKEKB) and aims for sustainable energy use with multiple interaction points and crab-waist collision schemes.