[논문 리뷰] Future strategies for the discovery and the precise measurement of the Higgs self coupling

A. Blondel, P. Janot|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 렙톤 충돌기의 물리적 잠재력을 평가하여 힉스 자기결합 상수 및 연관된 성질을 측정하는 데 있어, FCC-ee가 240, 350 및 365 GeV에서 작동할 경우 힉스 총 폭에 대해 1.3%의 뛰어난 정밀도를 달성하고, 500 GeV 업그레이드 없이도 모형에 종속되지 않는 $5\sigma$ 수준의 삼중 힉스 자기결합 상수 발견이 가능하다고 결론을 내린다. FCC-ee와 FCC-hh의 조합은 힉스 자기결합 상수에 대해 몇 퍼센트 이내의 정밀도를 확보할 수 있는 唯一의 현실적인 길을 제공하며, ILC500에 비해 효율성과 물리적 영향 범위에서 뛰어나다.

ABSTRACT

The European Strategy for Particle Physics (ESSP) submitted in 2013 a deliberation document to the CERN council explaining that a lepton collider with "energies of 500\,GeV or higher could explore the Higgs properties further, for example the [Yukawa] coupling to the top quark, the [trilinear] self-coupling and the total width.". In view of the forthcoming ESPP update in 2020, variations on this qualitative theme have been applied, inaccurately, to the case of the ILC, to argue that an upgrade to 500\,GeV would allow the measurement of the Higgs potential and would increase the potential for new particle searches. As a consequence, the strategic question was raised again whether the FCC-ee design study ought to consider a 500 GeV energy upgrade. In this note, we revisit the ESSP 2013 statement quantitatively and find [...] that 500 GeV is not a particularly useful energy for the lepton colliders under consideration, especially for the FCC-ee. A 5 sigma demonstration of the existence of the Higgs self-coupling is within reach at the energies foreseen for the FCC-ee, with a moderate change of configuration, which certainly deserves consideration.

연구 동기 및 목표

• 레프톤 충돌기가 높은 유의성으로 힉스 자기결합 상수를 측정하기 위해 500 GeV 에너지 업그레이드가 필요한지 평가하기 위해.
• FCC-ee와 ILC500의 물리적 영향 범위를 비교하여 힉스 총 폭, 토프 양자수 상수, 삼중 힉스 자기결합 상수 측정 능력을 평가하기 위해.
• FCC-ee가 500 GeV로의 에너지 업그레이드 없이도 모형에 종속되지 않는 $5\sigma$ 관측을 달성할 수 있는지 평가하기 위해.
• FCC-ee와 FCC-hh의 조합이 힉스 자기결합 상수에 대해 몇 퍼센트 이내의 정밀도를 확보할 수 있는 유일한 실현 가능한 길인지 판단하기 위해.
• 전자약력 정밀도 측정을 통한 새로운 물리 현상, 특히 암흑물질과 무거운 중성미오에 대한 FCC-ee의 민감도를 평가하기 위해.

제안 방법

• FCC-ee가 $\sqrt{s} = 240$, 350 및 365 GeV에서 기대하는 통계적 불확실성에 기반한 힉스 생성 단면적 및 분해비율의 정량적 비교.
• 모형 의존성 여부에 따라 힉스 결합 상수와 총 폭을 피팅하기 위해 $\kappa$-프레임워크 및 SMEFT 차수 6 연산자 프레임워크의 사용.
• 광량과 중심질량 에너지 가정에 기반해 FCC-ee, ILC500 및 HL-LHC의 삼중 힉스 자기결합 상수에 대한 예상 민감도 비교.
• 두 개에서 네 개로 증가한 FCC-ee 실험 수의 영향 평가로, 이는 광량 제공을 두 배로 늘리고 삼중 결합의 $5\sigma$ 발견 속도를 높인다.
• FCC-ee의 전자약력 정밀도 측정 평가로, 새로운 물리 스케일은 최대 70 TeV까지, 결합 강도는 약한 결합의 $10^{-11}$ 수준까지 민감도 확보.
• FCC-ee와 FCC-hh의 병합된 물리적 영향 범위 분석을 통한 고정밀 힉스 자기결합 상수 측정 가능성을 평가하며, 백분율 이내 정밀도 확보를 위해 하드론 충돌기 데이터의 필요성을 검토.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FCC-ee는 500 GeV로의 에너지 업그레이드 없이도 삼중 힉스 자기결합 상수에 대해 $5\sigma$ 발견을 달성할 수 있는가?
• RQ2 FCC-ee가 500 GeV 운영 없이도 힉스 총 폭 측정에 도달할 수 있는 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ3 15년간의 운영 후 FCC-ee의 삼중 힉스 자기결합 상수에 대한 민감도는 ILC500에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 FCC-ee와 FCC-hh의 조합이 삼중 힉스 자기결합 상수에 대해 몇 퍼센트 이내의 정밀도를 달성할 수 있으며, 이는 낮은 에너지 렙톤 충돌기로도 실현 가능한가?
• RQ5 FCC-ee에 500 GeV 업그레이드가 힉스 자기결합 상수를 발견하기 위해 필수적인가, 아니면 FCC-hh 프로그램에 의해 대체되는가?

주요 결과

• FCC-ee는 $\sqrt{s} = 240$, 350 및 365 GeV에서 500 GeV 업그레이드 없이도 힉스 총 폭에 대해 1.3%의 정밀도로 측정할 수 있다.
• HL-LHC에서 토프 양자수 상수는 $\pm2.5\%$ 수준에서 측정 가능하며, FCC-ee 측정 결과와 조합하면 500 GeV $e^+e^-$ 충돌이 필요 없이 모형에 종속되지 않는 결과를 도출할 수 있다.
• FCC-ee는 정밀한 단일 힉스 생성 단면적 측정을 통해 15년 내에 삼중 힉스 자기결합 상수에 대해 $3\sigma$ 민감도를 확보하며, 이는 ILC500가 30년간 운영된 후의 민감도와 동일하다.
• 두 개의 실험에서 네 개의 실험으로 증가함에 따라 FCC-ee는 모형에 종속되지 않는 첫 번째 $5\sigma$ 삼중 힉스 자기결합 상수 증명을 훨씬 빠르게 달성할 수 있다.
• 삼중 힉스 자기결합 상수에 대해 몇 퍼센트 이내의 정밀도 측정은 오직 FCC-ee와 FCC-hh의 조합을 통해 실현 가능하며, 3 TeV 이하의 렙톤 충돌기로는 합리적인 시간 또는 광량 범위 내에서 이 정밀도를 확보할 수 없다.
• FCC-ee의 Z 패러티클 런에서 $5 \times 10^{12}$개의 Z 붕괴를 통해, 약한 결합의 $10^{-11}$ 수준의 새로운 물리 결합을 탐지할 수 있으며, 이는 암흑물질이나 중성미오의 발견을 가능하게 한다.