[논문 리뷰] Further searches of the Higgs scalar sector at the ESS

Carlo Rubbia|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 유럽 스파라테이션 소스(ESS)를 활용하여 뮤온 콜라이더를 통해 힉스 스칼라 섹터를 탐색하는 것을 제안한다. 뮤온 쌍 생성이 페르미온 질량에 대한 힉스의 결합으로 인해 강화됨에 따라, 힉스의 고정밀 측정을 가능하게 하는 배경 감소 및 감도 향상을 위해 초기 냉각 실험(ICE)을 통한 뮤온 냉각을 입증하는 길을 제시한다. 이는 힉스 보손 연구에 있어 하드론 콜라이더(예: HL-LHC)보다도 향상된 성능을 제공한다.

ABSTRACT

Recent decades have witnessed remarkable confirmations of the Standard Model (SM) describing the Electro-Weak and Strong Interactions. The Higgs boson was observed at CERN-LHC at 7-8 TeV and 13 TeV. The HL-LHC, a major luminosity upgrade has been recently approved. The HL-LHC may be already an early "Higgs factory", however only capable to perform Ho related measurements with rather large uncertainties because of persisting backgrounds and uncertainties. New projects using leptons rather than hadrons should be investigated Ho has a spin zero and its coupling is proportional to the square of the lepton mass, greatly enhancing the production from pairs of muons. A mu+mu- Collider may operate at a much higher magnetic field respect to the e+e- Collider and it has a smaller radius, easily fitting within one existing European site. However muons are unstable particles: they must be produced in sufficient amounts from pions of a proton beam, cooled and quickly accelerated to the required energies. The scenario is here primarily concentrated to further developments of the European Spallation Source (ESS) under construction in the Lund site as the most intense future source of spallation neutrons. As a initial part of the program, muon cooling should be experimentally demonstrated with the much cheaper and simpler Initial Cooling Experiment.

연구 동기 및 목표

• 유럽 스파라테이션 소스(ESS)에서 뮤온 콜라이더를 활용하여 표준모형을 초월한 힉스 스칼라 섹터를 탐색한다.
• 하드론 기반 콜라이더를 렙톤 기반 뮤온 충돌로 대체하여 힉스 보손 측정의 실험적 불확실성을 감소시킨다.
• 향후 고광도 뮤온 콜라이더 건설을 위한 핵심 단계인 뮤온 냉각을 ESS에서의 초기 냉각 실험(ICE)을 통해 실험적으로 입증한다.
• 특히 뮤온과의 결합이 강화된 힉스 보손의 성질을 활용하여 뮤온 쌍 생성 확률을 향상시킨다.
• 기존 유럽 연구 기지인 ESS 내에서 향후 힉스 팩토리 능력을 실현 가능한 통합 경로를 수립한다.

제안 방법

• ESS를 강력한 프로톤 비임을 생산하기 위한 원천으로 활용하여, 이를 통해 π 보어가 붕괴하여 뮤온을 생성함으로써 콜라이더에 사용할 수 있도록 한다.
• 단계적 접근법을 적용: 먼저 축소된 규모에서 초기 냉각 실험(ICE)을 통해 뮤온 냉각을 입증한다.
• 이온화 냉각 기술을 적용하여 뮤온 비임의 산란도를 감소시키고 고광도 운용을 가능하게 한다.
• ESS 현장 인프라를 활용하여 고자기장 및 소형 반경에서 작동 가능한 뮤온 콜라이더를 설계한다.
• 힉스 보손의 스핀-0 성질과 뮤온 질량에 비례하는 결합 특성을 활용하여, 뮤온+뮤온 충돌에서의 생산 확률을 높인다.
• ESS 시설과의 통합을 통해 비용 절감과 중첩 기술 활용을 극대화하여 전체 프로젝트의 실현 가능성을 높인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ESS는 향후 고정밀 힉스 보손 연구를 위한 뮤온 콜라이더 플랫폼으로서 실현 가능한가?
• RQ2 초기 냉각 실험(ICE)에서 뮤온 냉각을 얼마나 정확히 실험적으로 입증할 수 있을까? 이는 전면적 콜라이더의 기술 실현 가능성을 검증하는 데 핵심적인가?
• RQ3 뮤온+뮤온 충돌에서의 힉스 보손 생성률은 질량 제곱에 비례하는 결합 특성 덕분에 전자+전자 또는 프로톤-프로톤 충돌과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 HL-LHC와 비교했을 때 뮤온 콜라이더에서의 힉스 측정에 기대되는 배경과 체계적 불확실성은 어떠한가?
• RQ5 ESS 인프라를 활용하여 룬드와 같은 기존의 하나의 브로드 유럽 연구 기지 내에서 고광도 뮤온 콜라이더를 건설할 수 있는가?

주요 결과

• ESS는 고강도 프로톤 비임을 제공하는 데 있어 독보적인 능력을 지니며, π 붕괴를 통한 고속도 뮤온 생성을 가능하게 한다.
• 초기 냉각 실험(ICE)에서 뮤온 냉각을 실험적으로 입증할 수 있으며, 이는 전면적 콜라이더 건설의 실현 가능성을 입증하는 핵심 원리적 단계이다.
• 힉스 보손의 뮤온과의 결합은 질량 제곱에 비례하여 강화되며, 이는 뮤온+뮤온 충돌에서 전자+전자 충돌 대비 생산 단면적을 크게 증가시킨다.
• ESS에 구축된 뮤온 콜라이더는 배경 감소와 더 깔끔한 최종 상태 덕분에 HL-LHC보다도 힉스 결합 측정의 정밀도를 높일 수 있다.
• 뮤온 콜라이더의 소형 설계와 고자기장 운용 능력 덕분에 유사한 전자+전자 콜라이더보다 더 작은 면적을 차지할 수 있으며, 기존 ESS 시설 내에 수용 가능하다.
• 뮤온 콜라이더를 ESS 시설과 통합함으로써 공통 인프라와 비용 분담이 가능해져 전체 프로젝트의 실현 가능성이 크게 향상된다.