[논문 리뷰] Physics case for an LHCb Upgrade II - Opportunities in flavour physics, and beyond, in the HL-LHC era

LHCb Collaboration, B. Adeva외 832명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 525인용 수 234

한 줄 요약

이 논문은 고광도 LHC(HL-LHC)를 위한 주요 검출기 개선 사항인 LHCb 업그레이드 II를 제안하며, 풍미 물리학의 정밀 측정과 새로운 물리학 탐색을 가능하게 한다. 2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹의 10배 높은 빛의 밀도에서 운영됨에 따라, 희귀 B-메손 붕괴를 조사하고, μ+μ− 모드를 통해 최소 풍미 위반을 검증하며, 캄프 CP 위반에 대해 10⁻⁵ 민감도를 확보하게 된다. 이는 사전 HL-LHC 시대 실험 대비 새로운 물리학 탐색 범위를 거의 두 배로 확장할 것이다.

ABSTRACT

The LHCb Upgrade II will fully exploit the flavour-physics opportunities of the HL-LHC, and study additional physics topics that take advantage of the forward acceptance of the LHCb spectrometer. The LHCb Upgrade I will begin operation in 2020. Consolidation will occur, and modest enhancements of the Upgrade I detector will be installed, in Long Shutdown 3 of the LHC (2025) and these are discussed here. The main Upgrade II detector will be installed in long shutdown 4 of the LHC (2030) and will build on the strengths of the current LHCb experiment and the Upgrade I. It will operate at a luminosity up to $ 2 imes 10^{34} m cm^{-2}s^{-1}$, ten times that of the Upgrade I detector. New detector components will improve the intrinsic performance of the experiment in certain key areas. An Expression Of Interest proposing Upgrade II was submitted in February 2017. The physics case for the Upgrade II is presented here in more depth. $CP$-violating phases will be measured with precisions unattainable at any other envisaged facility. The experiment will probe $b o s \ell^+\ell^-$ and $b o d \ell^+\ell^-$ transitions in both muon and electron decays in modes not accessible at Upgrade I. Minimal flavour violation will be tested with a precision measurement of the ratio of $B(B^0 oμ^+μ^-)/B(B_s^0 o μ^+μ^-)$. Probing charm $CP$ violation at the $10^{-5}$ level may result in its long sought discovery. Major advances in hadron spectroscopy will be possible, which will be powerful probes of low energy QCD. Upgrade II potentially will have the highest sensitivity of all the LHC experiments on the Higgs to charm-quark couplings. Generically, the new physics mass scale probed, for fixed couplings, will almost double compared with the pre-HL-LHC era; this extended reach for flavour physics is similar to that which would be achieved by the HE-LHC proposal for the energy frontier.

연구 동기 및 목표

• 희귀 B-메손 붕괴, 특히 b → sℓ⁺ℓ⁻ 및 b → dℓ⁺ℓ⁻ 전이의 정밀 측정을 가능하게 하여 HL-LHC에서 풍미 물리학의 탐색 범위를 확장한다.
• 표준모형의 최소 풍미 위반 예측을 검증하기 위해 B(B⁰ → μ⁺μ⁻)/B(Bₛ⁰ → μ⁺μ⁻) 비율의 정밀 측정을 수행한다.
• 10⁻⁵ 수준에서 캄프 붕괴에서의 CP 위반을 탐색하여 장기적으로 탐색된 발견으로 이어질 수 있다.
• 향상된 검출기 성능을 통해 하드론 스펙트로스코피를 강화하고 저에너지 QCD를 탐색한다.
• 헤이그스 보손이 캄프 쿼크와의 결합에 대해 LHC 실험들 중에서 가장 높은 민감도를 확보한다.

제안 방법

• 업그레이드 II 검출기는 2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹의 빛의 밀도에서 운영되며, 업그레이드 I 대비 10배 높아서 통계량 증가와 정밀도 향상이 가능하다.
• 장기 정지 4(2030) 기간 동안 새로운 검출기 구성 요소가 설치되며, 배경를 억제하고 복합점 재구성 성능을 향상시키기 위해 붕괴 공간의 모든 여섯 면에 추적 층이 완전히 장착된다.
• 긴 수명 입자(LLP) 탐지가 가능한 소형이고 배경이 낮은 환경을 설계에 통합하였으며, 시간 도달 기반으로 LLP 운동량과 질량을 재구성하기 위한 시간 측정 층을 통합할 수 있다.
• 업그레이드-II 시대에는 형상 인자에 대한 이론적 불확실성이 0.25배로 감소할 것으로 예상되어, RK 및 RK*와 같은 관측량의 정밀도가 향상된다.
• 실험적 불확실성(각도 관측량 및 RK)을 윌슨 계수에 대한 제약 조건으로 변환하여, 효과 이론 분석을 위한 flavio 소프트웨어를 사용해 새로운 물리학 탐색 범위를 결정한다.
• 90% 신뢰수준에서 새로운 물리학 스케일(ΛNP)의 배제 한계를 계산하며, ΛNP ∝ 1/σ(C′) 관계를 사용한다. κ 값은 뉴 피직스 모델에 따라 달라지며, 예를 들어 나무 수준에서는 κ = 1, 고리 수준의 MFV에서는 κ = VtbV*ts/(16π²)이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCb 업그레이드 II는 캄프 붕괴에서 CP 위반에 대해 10⁻⁵ 민감도를 확보할 수 있으며, 이는 그 발견으로 이어질 수 있는가?
• RQ2 B(B⁰ → μ⁺μ⁻)/B(Bₛ⁰ → μ⁺μ⁻) 비율에 대한 예상 정밀도는 얼마이며, 이는 최소 풍미 위반을 어떻게 검증하는가?
• RQ3 풍미 민감도가 있는 과정에 대해 업그레이드 II는 사전 HL-LHC 시대 대비 새로운 물리학 탐색 범위가 얼마나 증가하는가?
• RQ4 업그레이드 II는 다른 LHC 실험들 대비 헤이그스 보손이 캄프 쿼크와의 결합에 대해 기대되는 민감도는 얼마인가?
• RQ5 검출기의 전체 부피 추적 및 시간 측정 능력은 어떤 정도로 장수명 입자 및 이국적 헤이그스 붕괴의 탐색 범위를 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 고정 결합 조건 하에서, LHCb 업그레이드 II는 사전 HL-LHC 시대 대비 약 두 배 높은 스케일에서 새로운 물리학을 탐색할 수 있으며, HE-LHC 에너지 프론티어 제안에서 예상되는 탐색 범위와 일치한다.
• 이 실험은 다른 현재 또는 계획 중인 시설에서 달성할 수 없는 정밀도로 CP 위반 위상 측정이 가능하다.
• B(B⁰ → μ⁺μ⁻)/B(Bₛ⁰ → μ⁺μ⁻) 비율은 고정밀도로 측정되어 최소 풍미 위반의 엄격한 검증이 가능하다.
• 검출기의 전체 부피 추적 및 시간 측정 능력 덕분에, 50 ps 이내의 시간 해상도로 LLP의 운동량과 질량을 재구성할 수 있으며, 경량 장수명 입자에 대한 탐색 범위가 확장된다.
• 업그레이드-II 시대에는 형상 인자에 대한 이론적 불확실성이 75% 감소할 것으로 예상되어, RK 및 RK*와 같은 관측량의 정밀도가 크게 향상된다.
• LHCb 동굴에 통합된 CODEX-b 확장은 mϕ < 1 GeV 및 cτ까지 10 m까지의 장수명 입자 탐색 범위를 확장하며, 이 분야에서 다른 실험들보다 뛰어난 성능을 발휘한다.