[論文レビュー] The Potential of the ILC for Discovering New Particles

H. Fujii, Christophe Grojean+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

International Science and Diplomacy参考文献 71被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LHCの結果に関係なく、国際線形衝突型加速器（ILC）が標準模型を超える新しい物理学を発見するための独自で補完的な能力を有することを示している。Higgs粒子およびトップクォークの性質の精密測定、軽いHiggsに類似した粒子の直接生成、スパコンパクトなヒッグスノスやダークマターの高精度探索を活用することで、ILCは直接的LHCでの発見に失敗した場合でも、数十TeVのスケールまで新しい物理学を探索可能である。

ABSTRACT

This paper addresses the question of whether the International Linear Collider has the capability of discovering new particles that have not already been discovered at the CERN Large Hadron Collider. We summarize the various paths to discovery offered by the ILC, and discuss them in the context of three different scenarios: 1. LHC does not discover any new particles, 2. LHC discovers some new low mass states and 3. LHC discovers new heavy particles. We will show that in each case, ILC plays a critical role in discovery of new phenomena and in pushing forward the frontiers of high-energy physics as well as our understanding of the universe in a manner which is highly complementary to that of LHC. For the busy reader, a two-page executive summary is provided at the beginning of the document.

研究の動機と目的

• LHCの結果に依存しない形で、ILCによる新しい粒子の発見可能性を評価すること。
• ILCがHiggsおよびトップクォーク結合の精密測定において、標準模型を超える独自の能力を有することを示すこと。
• ILCが、弱い相互作用を示す軽い、または高圧縮なSUSY状態の探索において、LHCの探索とどのように補完的であるかを示すこと。
• ILCが、ダークマターの性質および電弱対称性の自発的破れに伴うバリオジェネシスのメカニズムを解明するための重要なツールとして位置づけられることを確立すること。
• ハドロン衝突型加速器では到達できない新しい物理学のモデルをテストできるILCの能力に基づいて、ILCの物理学的根拠を提示すること。

提案手法

• 500 GeVで4000 fb⁻¹の運用を想定した20年間のILC運用計画を用い、高精度測定と発見可能性を実現する。
• 背景が少なく、ビームエネルギーと偏光を調整可能な清浄なe⁺e⁻衝突を用いて感度を向上させる。
• 新しい粒子（例：ヒッグス粒子、ヒッグスノス、Z′）の直接生成および標準模型の結合定数の精密測定を用いて、新しい物理学の仮想効果を調査する。
• t¯t生成の閾値スキャンを用いて、理論的不確実性を含めた50 MeVの精度でトップクォーク質量を決定する。
• 初期状態放射による不透明粒子生成（例：ダークマター）の詳細なシミュレーションを実施し、発見範囲を評価する。
• 複数の新しい物理学のシナリオ（複合ヒッグス、追加次元、超対称性）において、モデル依存およびモデル独立のシグナルを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCでの直接的信号がない場合でも、ILCはLHCで発見されなかった新しい粒子を発見できるか？
• RQ2 ILCの精密測定能力は、LHCに比べてどのように新しい物理学スケールの探査を上回るか？
• RQ3 軽いHiggsに類似した粒子、ヒッグスノス、ダークマター候補に対するILCの発見範囲はどの程度か？
• RQ4 ILCは、複雑なSUSYカスケード崩壊を解明し、ゲージ結合定数の統一性を検証する点で、LHCとどのように補完的か？
• RQ5 ILCは、ヒッグス自己結合測定によって、電弱バリオジェネシスのメカニズムを独自に探査できるか？

主な発見

• ILCは、標準模型のフェルミオンおよびゲージボソンへのヒッグス粒子結合定数を1%未満の精度で測定可能であり、複合ヒッグスや混合状態の直接的検証が可能となる。
• e⁺e⁻ → ZHHを用いたヒッグス自己結合の測定精度は27%に達し、1 TeVでννHHを用いることで10%まで向上し、電弱バリオジェネシスの重要な検証が可能となる。
• ILCはトップクォーク質量を50 MeVの精度で決定でき、ゲージボソンへの左・右ヘリシティ結合定数を1%未満のレベルで測定可能であり、数十TeVのスケールでの新しい物理学の発見が可能となる。
• ILCは、フェルミオン対生成を用いて、質量が12 TeVまでの新しいZ′ゲージボソンを探索可能であり、複合ヒッグスや追加次元モデルにおける新しい共鳴状態の仮想効果も検出可能である。
• ILCは、100–300 GeVの軽いヒッグスノスを独自に発見し、LHCで不透明な場合でもその性質を高精度で測定可能である。
• ILCのダークマター粒子に対する発見範囲は、中心系エネルギーが低いにもかかわらず、背景が明確でレプトン結合への感度が高いため、LHCと同等の性能を示す。