[논문 리뷰] Higgs physics at the Future Circular Collider

D. d’Enterria|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

논문은 CERN의 미래 원형 충격기(FCC)가 각각 125–350 GeV 및 100 TeV에서 고광도 $ m e^{+}e^{-}$ 및 $ m pp$ 충돌을 통해 힉스 보손의 성질에 대해 사상 초월 정밀도 측정을 가능하게 할 것임을 제안한다. 이는 FCC가 경량 페르미온에 대한 힉스 요쿠와 쿠플링, 자기 쿠플링, 그리고 6 테바르드 이상의 스케일에서의 새로운 물리 현상을 1퍼센트 미만의 정밀도로 측정할 수 있음을 보여주며, LHC의 능력을 뛰어넘는다.

ABSTRACT

The unique Higgs physics opportunities accessible at the CERN Future Circular Collider (FCC) in electron-positron ($\sqrt{s}$ = 125, 240, 350 GeV) and proton-proton ($\sqrt{s}$ = 100 TeV) collisions, are succinctly summarized. Thanks to the large c.m. energies and enormous luminosities (plus clean experimental conditions in the $e^+e^-$ case), many open fundamental aspects of the Higgs sector of the Standard Model (SM) can be experimentally studied: (i) Measurement of the Higgs Yukawa couplings to the lightest fermions: u,d,s quarks (via rare exclusive $H o(ρ,ω,ϕ)+γ$ decays); and e$^\pm$ (via resonant s-channel $e^+e^- o H$ production); as well as neutrinos (within low-scale seesaw mass generation scenarios); (ii) Measurement of the Higgs potential (triple $λ_3$, and quartic $λ_4$ self-couplings), via double and triple Higgs boson production in pp collisions at 100 TeV; (iii) Searches for new physics coupled to the scalar SM sector at scales $Λ>$ 6 TeV, thanks to measurements of the Higgs boson couplings with subpercent uncertainties in $e^+e^- o H\,Z$; and (iv) Searches for dark matter in Higgs-portal interactions, via high-precision measurements of on-shell and off-shell Higgs boson invisible decays. All these measurements are beyond the reach of pp collisions at the Large Hadron Collider. New higher-energy $e^+e^-$ and pp colliders such as FCC are thus required to complete our understanding of the full set of SM Higgs parameters, as well as to search for new scalar-coupled physics in the multi-TeV regime.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 미해결 기본 문제, 예를 들어 페르미온 질량 기원, 힉스 자기 쿠플링, 암흑물질의 성질 등을 다루기 위해.
• 경량 페르미온(u, d, s, e, ν)의 알려지지 않은 요쿠와 쿠플링과 힉스 자기 쿠플링을 측정함으로써 표준모형 힉스 섹터의 실험적 기술을 완성하기 위해.
• 정밀한 힉스 쿠플링과 투명 붕괴를 통해 6 테바르드 이상의 스케일에서 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.
• 희귀 및 비공명 상태 힉스 붕괴를 포함하여 LHC 이후의 힉스 섹터에 대한 종합적인 실험 프로그램을 제공하기 위해.
• FCC를 50배 높은 정밀도로 힉스 성질을 측정할 수 있는 '힉스 공장'으로 확립하기 위해.

제안 방법

• 125, 240, 350 GeV에서의 $ m e^{+}e^{-}$ 충돌을 이용해 힉스 보손을 Higgsstrahlung($\rm e^{+}e^{-} \to HZ$)과 힉스 피크에서의 공진 $ extit{s}$-채널 생성을 통해 생성한다.
• 분해비율 $ m \sim 10^{-5}$–$10^{-6}$인 희귀 배제 붕괴 $ m H \to \rho,\omega,\phi + \gamma$를 측정하여 경량 쿼크(u, d, s)에 대한 요쿠와 쿠플링을 탐색한다.
• 125 GeV 근처에서 $ m e^{+}e^{-} \to H$ 공진 $ extit{s}$-채널 생성을 통해 직접적으로 전자 요쿠와 쿠플링을 측정한다.
• $\rm e^{+}e^{-}$ 충돌에서 $ m H \to Z + \text{inv}$를 통해 힉스의 투명 폭을 고정밀도로 측정하여 힉스 포털 암흑물질을 탐색한다.
• $\sqrt{s} = 100$ TeV에서의 $ m pp$ 충돌에서 이중 및 삼중 힉스 생성을 연구하여 삼중($\lambda_3$) 및 사중($\lambda_4$) 자기 쿠플링을 추출한다.
• 차원 6 연산자를 포함한 효과적 장 이론(EFT)을 적용하여 쿠플링 측정 결과를 해석하고 새로운 물리 스케일 $ lessalign{\Lambda \gtrsim}$ 6 테바르드에 대한 제약 조건을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 쿼크(u, d, s)와 비틀림 레프톤(e)에 대한 힉스 보손의 요쿠와 쿠플링을 1퍼센트 미만의 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ2 이중 및 삼중 힉스 생성을 통해 FCC는 힉스 자기 쿠플링($\lambda_3$, $\lambda_4$)에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ3 정밀 측정을 통해 $ lessalign{\rm e^{+}e^{-}}$ 충돌에서 힉스 쿠플링을 측정함으로써 새로운 물리 현상의 스케일 $ lessalign{\Lambda}$ 는 어느 정도까지 탐색할 수 있는가?
• RQ4 히iggs 보손의 투명 분해비율을 0.5% 이내의 불확실성으로 측정하여 힉스 포털 암흑물질을 탐색할 수 있는가?
• RQ5 FCC는 희귀 힉스 붕괴와 새로운 물리 현상을 탐색하는 데서 LHC와 HL-LHC에 비해 어떤 점에서 뛰어나게 되는가?

주요 결과

• FCC-ee는 최대 80 ab$^{-1}$의 통합 루미노시티로 최대 $2 \cdot 10^6$개의 힉스 보손을 생성할 수 있으며, 이로 인해 힉스 쿠플링의 1퍼센트 이내 정밀도 측정이 가능하다.
• 전자 요쿠와 쿠플링은 $ lessalign{\sqrt{s} \approx}$ 125 GeV에서의 공진 $ lessalign{s}$-채널 $ lessalign{\rm e^{+}e^{-} \to H}$ 생성을 통해 직접 측정할 수 있다.
• 배제 붕괴 $ lessalign{\rm H \to \rho(\pi\pi)\gamma}$는 낮은 배경에서 약 40개의 사건을 유도할 것으로 예상되며, 이는 u/d 쿼크 요쿠와 쿠플링에 대한 민감도를 제공한다.
• FCC-ee에서 힉스 보손의 투명 분해비율은 5$\sigma$의 신뢰도로 BR = 1.7%까지 측정 가능하며, 95% 신뢰수준에서 상한선 0.5%를 설정할 수 있다.
• FCC-hh는 $ lessalign{\sqrt{s} = 100}$$\rm TeV에서$2 \cdot 10^{10}$개의 힉스 보손을 생성할 수 있으며, 이로 인해$g_{\rm t\bar{t}}$, $g_{\mu\mu}$, $g_{\rm Z\gamma}$의 측정 정밀도가 1% 수준에 도달할 수 있다.
• FCC-ee에서의 정밀 측정을 통해 새로운 물리 스케일 $ lessalign{\Lambda \gtrsim}$ 6 테바르드를 탐색할 수 있으며, 효과적 장 이론을 통해 $ lessalign{\delta g_{ZZ}/g_{ZZ} \approx}$ 0.15%에서 $ lessalign{\Lambda \gtrsim}$ 5.8 테바르드를 추정할 수 있다.