[논문 리뷰] Projected Performance of an Upgraded CMS Detector at the LHC and HL-LHC: Contribution to the Snowmass Process

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 69

한 줄 요약

이 논문은 고광도 LHC(HL-LHC)에서 개량된 CMS 검출기의 물리 성능을 예측하며, 힉스 보손 성질, 톰 쿼크 및 전자기상 상호작용 측정, 그리고 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 감도 향상을 예측한다. √s = 14 TeV에서 300 fb⁻¹의 데이터와 HL-LHC에서 최대 3000 fb⁻¹의 데이터를 확보할 경우, 125 GeV 힉스 보손의 정밀 측정과 새로운 공명 또는 초대칭 입자의 발견이 가능할 것으로 기대된다.

ABSTRACT

The physics reach of the CMS detector achievable with 300(0) inverse femtobarns of proton-proton collisions recorded at sqrt(s)=14 TeV is presented. Ultimate precision on measurements of Higgs boson properties, top quark physics, and electroweak processes are discussed, as well as the discovery potential for new particles beyond the standard model. In addition, the potential for future heavy ion physics is presented. This document has been submitted as a white paper to the Snowmass process, an exercise initiated by the American Physical Society's Division of Particles and Fields to assess the long-term physics aspirations of the US high energy physics community.

연구 동기 및 목표

• 미국 스노메이스 과정 프레임워크 내에서 업그레이드된 LHC 및 HL-LHC에서 CMS 검출기의 장기 물리 잠재력을 평가하기 위해.
• 표준모형을 초월한 힉스 보손 성질, 톰 쿼크 물리, 전자기상 과정 및 새로운 물리 현상에 대한 발견 및 측정 감도를 예측하기 위해.
• 높은 루미노시티 조건에서 고정밀 중이온 물리 연구의 잠재력을 평가하기 위해, 특히 파arton 에너지 손실 및 쿼크온 억제를 포함하여.
• 더 높은 피킹업 및 루미노시티 조건에서도 성능을 유지하기 위해 검출기 업그레이드의 필요성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 방사선 및 피킹업 영향을 완화하는 검출기 업그레이드를 가정하여, 현재의 CMS 분석을 더 높은 중심질량 에너지(√s = 14 TeV)와 루미노시티로 외삽한다.
• 파트론 루미노시티 스케일링을 사용하여 고에너지에서의 새로운 물리 과정, 특히 고에너지에서의 글루온 융합 과정의 생산률 증가를 추정한다.
• 기존 분석 전략은 유지되며, 높은 에너지 및 루미노시티 조건에 맞게 재최적화된 것으로 가정하여 감도 향상을 예측한다.
• 예상 통합 루미노시티 기반으로 물리적 성과를 예측한다: LHC에서 300 fb⁻¹, HL-LHC에서 최대 3000 fb⁻¹.
• 128개의 상호작용이 한 교차점에까지 포함된 피킹업 조건에서 고다양성 사건의 트리거 및 재구성 성능을 평가한다.
• 중이온 충돌에서의 정밀 측정 능력을 평가하며, 특히 제트 끄는 현상, 포톤+제트, Z+제트 상관관계를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 14 TeV 및 HL-LHC 루미노시티 조건에서 업그레이드된 CMS 검출기가 힉스 보손의 결합 상수, 자기결합 및 루프 유도 과정에 대해 어떤 수준의 감도를 보일 것인가?
• RQ2 HL-LHC에서의 높은 루미노시티와 에너지 증가가 초대칭 및 이국적인 공명의 발견 잠재력을 어떻게 향상시킬 것인가?
• RQ3 높은 피킹업 조건에서 CMS 검출기가 톰 쿼크 및 전자기상 과정에 대해 얼마나 정밀한 측정을 수행할 수 있는가?
• RQ4 10–3000 fb⁻¹의 데이터를 바탕으로 어떤 중이온 물리 측정이 가능해질 것인가, 특히 제트 끄는 현상과 파arton 에너지 손실에 초점을 맞추어.
• RQ5 검출기 업그레이드가 반응면에 따라 달라지는 상관관계 및 드문 탐지자(예: ψ(2S))와 같은 차별적 관측량의 연구를 어떻게 가능하게 할 것인가?

주요 결과

• 3000 fb⁻¹의 통합 루미노시티를 확보한 HL-LHC는 희귀 과정의 통계량을 10배로 증가시켜, 힉스 보손의 결합 상수와 자기결합에 대한 정밀도를 크게 향상시킬 것이다.
• √s = 14 TeV로의 에너지 증가는 7 TeV 대비 새로운 물리 현상의 질량 범위를 두 배로 늘릴 것이며, 특히 글루온 융합에 의해 주로 발생하는 공명의 발견 잠재력을 크게 향상시킬 것이다.
• 14 TeV에서 300 fb⁻¹의 데이터로 CMS는 W 및 Z 보손과의 힉스 보손 결합 상수에 대해 백분율 이하의 정밀도를 확보할 수 있으며, 이는 그 표준모형 성격을 명확히 검증할 수 있는 조건이 될 것이다.
• 업그레이드된 트리거 및 재구성 시스템 덕분에 제트 끄는 현상과 파arton 에너지 손실을 반응면 및 중심성에 따라 차별적으로 측정할 수 있을 것이다.
• 고루미노시티 중이온 프로그램은 Z+제트 및 γ+제트 사건을 충분히 생성할 것이며, 각각 pT > 50 GeV/c와 100 GeV/c 조건에서 최대 3000건과 600건의 사건을 확보하여 쿼크 및 글루온 제트 끄는 현상의 차별적 연구를 가능하게 할 것이다.
• CMS 검출기는 쿼크온 억제 패tern과 중심성 의존성에 대한 고정밀 측정을 달성할 것으로 예측되며, 이는 중이온 충돌에서의 QCD 상전이를 탐색하는 데 핵심적인 역할을 할 것이다.