[논문 리뷰] Proton-proton and electron-positron collider in a 100 km ring at Fermilab

C.M. Bhat, P. C. Bhat외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩에서 100 km 원형 충돌기로, 100 TeV 프로톤-프로톤 충돌기와 90–350 GeV 전자-양전자 충돌기를 동시에 운영할 수 있도록 제안한다. pp 충돌기는 새로운 무거운 입자 탐색과 정밀한 힉스 연구를 가능하게 하며, e+e− 충돌기는 힉스 공 fab 및 탑 쿼크 임계값 근처까지의 정밀한 전자기상 상호작용 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The discovery of a Higgs-like boson with mass near 126 GeV, at the LHC, has reignited interest in future energy frontier colliders. We propose here a proton-proton (pp) collider in a 100 km ring, with center of mass (CM) energy of ~100 TeV which would have substantial discovery potential for new heavy particles and new physics beyond the Standard Model. In the case that LHC experiments have already found exotic resonances or heavy "partner" particles, this collider could fill out the "tower" of resonances (thus e.g. confirming an extra dimension) or the full suite of partner particles (e.g. for supersymmetry). The high luminosity of the new collider would enable unique precision studies of the Higgs boson (including Higgs self coupling and rare Higgs decays), and its higher energy would allow more complete measurements of vector boson scattering to help elucidate electroweak symmetry breaking. We also discuss an e+e- collider in the same 100 km ring with CM energies from 90 to 350 GeV. This collider would enable precision electroweak measurements up to the ttbar threshold, and serve as a Higgs factory.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해 페르미랩에서 차세대 에너지 선단 충돌기를 제안하는 것.
• LHC에서 힉스 보손이 발견된 이후, 힉스 보손의 자기상호작용 및 희귀 붕괴를 포함한 정밀 측정을 가능하게 하는 것.
• 기타 상태가 발견될 경우, 공명 또는 초대칭 파트너의 스펙트럼을 완성할 수 있는 시설을 제공하는 것.
• 정밀한 전자기상 상호작용 물리학과 힉스 보손 연구를 위한 고광도 전자-양전자 충돌기를 제공하는 것.
• 동일한 100 km 원형 충돌기 인프라를 사용해 pp 및 e+e− 모드를 모두 구현함으로써 비용 효율성과 과학적 영향력의 최적화를 이루는 것.

제안 방법

• 프로톤-프로톤 및 전자-양전자 충돌 모두에 최적화된 초전도성 원형 고리 설계.
• pp 충돌에서 100 TeV 중심질량 에너지를 달성하기 위해 고자기장 초전도 자기석 사용.
• 희귀 붕괴 및 힉스 보손의 정밀 상호작용 측정을 가능하게 하기 위해 고광도 운용 구현.
• 90 GeV에서 350 GeV까지의 중심질량 에너지에서 e+e− 운용을 가능하게 하여 Z 및 W 보손 공명과 탑 쿼크 임계값을 커버.
• 단일 고리에서 이중 모드 충돌기를 운영하기 위해 기존 페르미랩 인프라와 전문 지식을 활용.
• 비틀림 및 레이트리스 설계 기법을 적용하여 양 모드에서 안정성과 고광도 유지.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 100 km 고리가 100 TeV pp 충돌기와 충분한 성능을 갖춘 고광도 e+e− 충돌기를 동시에 수용할 수 있는가?
• RQ2 100 TeV pp 충돌기에서 새로운 무거운 공명 또는 초대칭 파트너의 발견 잠재력은 어떠한가?
• RQ3 이 시설에서 힉스 보손의 자기상호작용 및 희귀 붕괴는 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 벡터 보손 산란 과정은 전자기상 대칭 파괴 메커니즘을 검증하기 위해 얼마나 깊이 탐색될 수 있는가?
• RQ5 e+e− 모드가 정밀한 힉스 공 fab로 기능할 수 있으며, tt̄ 임계값 근처의 측정을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 100 km 고리는 표준모형을 초월한 새로운 무거운 입자 탐색 잠재력이 큰 100 TeV pp 충돌기를 수용할 수 있다.
• 고광도 덕분에 힉스 보손의 자기상호작용 및 희귀 붕괴를 포함한 정밀 연구가 가능하다.
• e+e− 모드는 90 GeV에서 350 GeV까지의 중심질량 에너지를 제공하며, 정밀한 전자기상 상호작용 측정에 이상적이다.
• 이 시설은 벡터 보손 산란 과정을 탐색하여 전자기상 대칭 파괴 메커니즘을 밝히는 데 기여할 수 있다.
• LHC에서 이례적인 공명 또는 초대칭 파트너가 발견될 경우, 이 충돌기는 그들의 스펙트럼 패턴을 완성할 수 있다.
• 단일 고리에서의 이중 모드 운용은 차세대 에너지 선단 물리학으로의 비용 효율적인 길을 제공한다.