[논문 리뷰] Higgs Physics at the HL-LHC and HE-LHC

M. Cepeda, Stefania Gori외 375명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 358

한 줄 요약

이 논문은 고광도 및 고에너지 LHC가 힉스 보손 물리학을 어떻게 발전시킬 수 있는지 평가하며, 효율적 장이론과 직접 탐색을 통해 결합 상수의 정밀 측정, 이국적 붕괴, 그리고 새로운 물리 현상에 대해 다룹니다. HE-LHC에서 ttH 결합에 대해 약 2%의 정밀도를 확보하고, 힉스 질량에서 퍼밀 단위 정밀도에 해당하는 1 TeV 에너지에서 10% 측정이 가능해져, 최대 100 TeV 규모의 새로운 물리 현상에 민감도를 가지게 됩니다.

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson in 2012, by the ATLAS and CMS experiments, was a success achieved with only a percent of the entire dataset foreseen for the LHC. It opened a landscape of possibilities in the study of Higgs boson properties, Electroweak Symmetry breaking and the Standard Model in general, as well as new avenues in probing new physics beyond the Standard Model. Six years after the discovery, with a conspicuously larger dataset collected during LHC Run 2 at a 13 TeV centre-of-mass energy, the theory and experimental particle physics communities have started a meticulous exploration of the potential for precision measurements of its properties. This includes studies of Higgs boson production and decays processes, the search for rare decays and production modes, high energy observables, and searches for an extended electroweak symmetry breaking sector. This report summarises the potential reach and opportunities in Higgs physics during the High Luminosity phase of the LHC, with an expected dataset of pp collisions at 14 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 3~ab$^{-1}$. These studies are performed in light of the most recent analyses from LHC collaborations and the latest theoretical developments. The potential of an LHC upgrade, colliding protons at a centre-of-mass energy of 27 TeV and producing a dataset corresponding to an integrated luminosity of 15~ab$^{-1}$, is also discussed.

연구 동기 및 목표

• 히iggs 보손 결합 상수의 정밀 측정, 특히 탑 쿼크 및 벡터 보손에 대한 민감도를 평가하는 것.
• 어두운 포톤 및 축상 유사 입자와 같은 경량 뒷물리 입자를 포함한 희귀하고 이색적인 힉스 붕괴의 발견 가능성을 평가하는 것.
• 벡터 보손 산산이 부서지는 과정과 이중 보손 생성을 포함한 고에너지 산란 과정을 통해 HE-LHC가 새로운 물리 현상을 어떻게 탐색할 수 있는지 정량화하는 것.
• 중심 질량 에너지와 빛의 밀도가 효율적 장이론 연산자와 새로운 물리 스케일에 대한 민감도에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 히iggs 결합 비율 측정 향상과 극화된 벡터 보손 산산이 부서지는 성분의 추출을 분석하는 것.

제안 방법

• 히iggs 결합과 진폭에 대한 새로운 물리 효과를 체계적으로 기술하기 위해 고차원 연산자를 사용한 효율적 장이론(EFT)을 활용한다.
• 고에너지에서 힉스, Drell-Yan, 이중 보손 관측량에 대한 글로벌 피팅을 수행하여 윌슨 계수를 제약하고 새로운 물리 스케일에 대한 민감도를 추출한다.
• 벡터 보손 산산이 부서지는(VBS) 단면적 측정 정밀도 향상을 위해 고도의 시뮬레이션 및 피루업 제거 기법을 적용한다.
• 히iggs 붕괴 H → c¯c 및 희귀 힉스 붕괴에 대한 민감도 향상을 위해 운동량 재구성 및 c-태그 기법을 적용한다.
• 이론적 예측과 실험 성능 예측을 활용하여 체계적 오차의 향상과 결합 정밀도 향상 정도를 추정한다.
• 증가된 빛의 밀도와 에너지를 활용하여 글루온 융합 및 관련 생성을 통한 새로운 힉스 보손(S → hh 등) 탐색 가능성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC와 HE-LHC에서 ttH 결합에 대한 정밀도는 예상되며, 이는 이론적 불확실도가 감소함에 따라 어떻게 향상되는가?
• RQ2 HE-LHC는 고에너지 힉스 및 벡터 보손 산산이 부서지는 과정을 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리 스케일을 어느 정도 탐색할 수 있는가?
• RQ3 HE-LHC는 H → c¯c 또는 h → XX → bbµµ 또는 4ℓ와 같은 희귀 이색 힉스 붕괴를 관측할 수 있으며, 어떤 분해비가 도달 가능한가?
• RQ4 HE-LHC는 극화된 벡터 보손 산산이 부서지는 성분 측정과 순수 종단 상태의 중요도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 HE-LHC는 HL-LHC에 비해 pp → S → hh에서 무거운 힉스 보손 S의 발견 가능성을 어느 정도 확장하는가?

주요 결과

• 이론적 불확실도가 2배로 감소한다고 가정할 경우, HE-LHC에서 ttH 결합의 정밀도는 약 2%까지 향상될 것으로 예측된다.
• ttH 대 ttZ 결합 비율은 통계적 능력 향상과 체계적 오차 감소로 인해 백분율 수준에서 측정 가능하다.
• HE-LHC는 중심 질량 에너지 1 TeV에서 10% 측정을 달성할 수 있으며, 이는 힉스 질량에서 퍼밀 단위 정밀도에 해당하여 약 25 TeV 규모의 새로운 물리 스케일에 민감도를 가지게 된다.
• HE-LHC에서 이방형 4보존 상호작용을 기술하는 차원 8 연산자에 대한 민감도는 HL-LHC 대비 10~20배 향상된다.
• HE-LHC는 분해비가 약 10⁻⁵(예: h → XX → bbµµ) 수준의 이색 힉스 붕괴를 탐색할 수 있으며, 이는 HL-LHC의 탐색 범위를 약 5배 확장한다. 또한 분해비 10⁻⁸(예: h → 4ℓ) 수준의 붕괴는 약 308배 더 넓은 범위로 확장된다.
• HE-LHC는 pp → S → hh에서 무거운 힉스 보손 S의 발견 가능성을 HL-LHC 대비 질량 기준 1.5~2배 더 높은 범위로 확장한다.