[논문 리뷰] Physics case of FCC-ee

D. d’Enterria|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 90–350 GeV의 중심입자에너지에서 다수의 ab⁻¹ 루미노사티를 사용하여 Z, W, 힉스, 토프 쿼크의 성질을 고정밀도로 측정하기 위해 향후 전자-양전자 충돌기인 FCC-ee를 제안한다. 이는 힉스 쿼크 결합에 대해 약 7 테바볼트, 전자약력 결합에 대해 약 100 테바볼트의 새로운 물리 현상에 대한 간접적 제약을 가능하게 하며, 희귀 붕괴를 통한 암흑물질 및 허위 중성자에 대한 경쟁 가능한 감도를 제공한다.

ABSTRACT

The physics case for electron-positron beams at the Future Circular Collider (FCC-ee) is succinctly summarized. The FCC-ee core program involves $e^+e^-$ collisions at $\sqrt{s}$ = 90, 160, 240, and 350 GeV with multi-ab$^{-1}$ integrated luminosities, yielding about 10$^{12}$ Z bosons, 10$^{8}$ W$^+$W$^-$ pairs, 10$^{6}$ Higgs bosons and 4$\cdot$10$^{5}$ $t\bar{t}$ pairs per year. The huge luminosities combined with $\cal{100}$ keV knowledge of the c.m. energy will allow for Standard Model studies at unrivaled precision. Indirect constraints on new physics can thereby be placed up to scales $Λ_{_{ m NP}} \approx$ 7 and 100 TeV for particles coupling respectively to the Higgs and electroweak bosons.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 정밀도 측정을 통해 높은 정밀도의 물리 프로그램을 구축하여 표준모형을 사상적인 정밀도로 탐구한다.
• 전자약력 및 힉스 부문의 파rameter를 정밀 측정함으로써 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 간접적 제약를 설정한다.
• Z 보손과 힉스 보손의 희귀 붕괴를 탐색하여 암흑물질 및 허위 중성자에 대한 직접적 감도를 확보한다.
• 핵심 결합 상수와 질량에 대해 천분율 수준의 정밀도를 달성하여 최대 100 테바볼트 스케일의 새로운 물리 현상에 대한 감도를 확보한다.
• 원형 $e^+e^-$ 충돌기가 하드론 충돌기 대비 정밀도 연구 및 모델 독립적 탐색에서 가지는 고유한 이점을 입증한다.

제안 방법

• 연간 최대 10 ab⁻¹의 통합 루미노사티를 갖는 $√{s} = 90$, 160, 240, 350 GeV에서 $e^+e^-$ 충돌을 이용한다.
• 공진 조건에서 횡방향 극화를 이용한 정밀한 빔 에너지 캘리브레이션을 통해 $±$100 keV의 에너지 해상도를 확보한다.
• Z 피크($√{s} \approx$ 91 GeV)와 $W^+W^-$ 임계값($\approx$ 160 GeV) 근처에서 임계값 스캔을 수행하여 고정밀도 파rameter를 추출한다.
• $e^+e^- \to t\bar{t}$ 및 Z 보손 붕괴의 미분 분포 측정을 통해 토프 쿼크 및 전자약력 결합 상수를 0.1% 수준에서 탐색한다.
• $H \to \ell^+\ell^-$ 및 $H$-스트라할링 과정을 이용하여 힉스 보손의 너비와 비가시 분포율을 0.2%의 절대 정밀도로 측정한다.
• 희귀 붕괴인 $Z \to \ell^+\ell^-$, $H \to \gamma\gamma$, $Z\gamma$, $\ell^+\ell^-$를 분석하여 비가시 힉스 붕괴 및 이국적 결합 상수를 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FCC-ee에서 정밀 측정을 통해 간접적으로 제약을 가질 수 있는 최대 에너지 스케일 $Λ_{\rm NP}$는 얼마인가요?
• RQ2 히iggs 보손의 너비와 비가시 분포율은 얼마나 정밀하게 측정할 수 있으며, $m_{\rm DM} < m_Z/2$ 범위에서 암흑물질에 대한 감도는 어떠한가요?
• RQ3 0.15% 정밀도로 $g_{\rm HZZ}$ 결합 상수를 측정할 수 있으며, 스칼라 부문의 새로운 물리 현상에 대해 어떤 제약를 가질 수 있나요?
• RQ4 FCC-ee는 $Z \to N\ell$ 붕괴를 통해 허위 중성자에 대해 어떤 감도를 가지며, 기존의 제약과 비교해 볼 때 어떠한가요?
• RQ5 희귀 힉스 붕괴인 $H \to \rho\gamma$ 또는 $H \to e^+e^-$는 어느 정도 관측 가능하며, 이는 페르미온 요쿠다 결합 상수에 대해 무엇을 드러내나요?

주요 결과

• 350 GeV에서 10 ab⁻¹의 통합 루미노사티를 갖는 FCC-ee는 연간 약 10¹²개의 Z 보손, 10⁸개의 $W^+W^-$ 쌍, 10⁶개의 힉스 보손, 4×10⁵개의 $t\bar{t}$ 쌍을 수집할 수 있다.
• ±100 keV의 빔 에너지 해상도는 $m_Z$, $m_W$, $m_t$에 대해 천분율 수준의 정밀도를 가능하게 하며, 현재 측정 대비 체계적 오차를 약 25배 감소시킨다.
• 다양한 붕괴 채널을 조합함으로써 힉스 보손 총 너비를 $\mathcal{O}(1\%)$의 오차 범위로 측정할 수 있으며, 비가시 분포율은 0.2%의 절대 정밀도로 측정할 수 있다.
• 신호가 관측되지 않으면 힉스 비가시 분포율에 대해 95% 신뢰수준에서 상한선 0.5%를 설정할 수 있으며, 이는 암흑물질 모델에 대한 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 히iggs 부문에 대한 새로운 물리 현상 스케일에 대한 간접 제약는 약 7 테바볼트 이상이며, 전자약력 보손에 대한 결합에 대해서는 약 100 테바볼트 이상이다.
• FCC-ee는 $Z \to N\ell$ 붕괴를 통해 질량이 최대 60 GeV이고 혼합 각도가 $\sin^2 2\theta \sim 10^{-10}$ 수준까지 탐색 가능하며, 이는 뛰어난 제약 조건을 설정한다.