[논문 리뷰] Report of the Topical Group on Higgs Physics for Snowmass 2021: The Case for Precision Higgs Physics

S. Dawson, Patrick Meade외 79명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 15.

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한 줄 요약

본 Snowmass 2021 주제 그룹 보고서는 미래 충돌기에서의 정밀 힉스 물리학을 옹호하며, LHC를 넘어서는 TeV 스케일의 BSM 물리학을 탐구하기 위한 힉스 결합 측정, 질량/폭 결정, 자기결합 전망을 자세히 제시한다.

ABSTRACT

A future Higgs Factory will provide improved precision on measurements of Higgs couplings beyond those obtained by the LHC, and will enable a broad range of investigations across the fields of fundamental physics, including the mechanism of electroweak symmetry breaking, the origin of the masses and mixing of fundamental particles, the predominance of matter over antimatter, and the nature of dark matter. Future colliders will measure Higgs couplings to a few per cent, giving a window to beyond the Standard Model (BSM) physics in the 1-10 TeV range. In addition, they will make precise measurements of the Higgs width, and characterize the Higgs self-coupling. This report details the work of the EF01 and EF02 working groups for the Snowmass 2021 study.

연구 동기 및 목표

• 정밀 힉스 측정을 EWSB, 플레어, CP 위반, 잠재적 BSM 물리학의 이해를 위한 중심 경로로 고취시키는 것.
• 관측 가능한 힉스 특성을 입자물리학과 우주론의 근본적 질문에 매핑하는 것.
• 현재 및 미래의 충돌기가 퍼센트 단위의 정밀도를 달성하기 위한 실험적 및 이론적 준비 상태를 평가하는 것.
• 새로운 힉스 관련 현상을 관측하기 위한 탐지기 및 가속기 요구사항에 대한 지침을 제공하는 것.

제안 방법

• LHC 런2 측정값 및 향후 충돌기에 대한 예측으로 현재의 실험적 힉스 상태를 종합한다.
• EFT/kappa 형식 및 그 이상을 사용하여 힉스 결합의 편차를 해석하기 위한 프레임워크를 제시한다.
• 다양한 제안된 힉스 공장과 고에너지 충돌기의 힉스 관측 가능도 감도 비교한다.
• 정밀 힉스 측정과 BSM 물리학에 대한 직접 탐색 간의 상호작용을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미래의 충돌기가 SM 입자에 대한 힉스 결합에서 어느 정도의 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 예측된 힉스 결합 정밀도가 EFT 또는 다른 프레임워크 내에서 NP 스케일(TeV 범위)에 대한 민감도로 어떻게 표출되는가?
• RQ3 향후 시설에서 힉스 자기결합 및 이중 힉스 생산을 측정할 전망은 어떠한가?
• RQ4 힉스 측정은 싱글렛, 2HDM, 또는 힉스 루프와 같은 BSM 시나리오를 직접 탐색하는 탐색과 어떻게 보완되는가?
• RQ5 새로운 힉스 관련 현상을 관측하기 위해 필요한 탐지기/가속기 요구사항은 무엇인가?

주요 결과

• 현재 LHC Run 2 데이터는 힉스 질량 측정을 퍼밀( per mille) 정확도에 근접하게 보여주고 다수의 채널에서 결합은 5–10% 정밀도에 근접한다.
• 향후 시설에서의 정밀 힉스 측정은 결합 및 기전에 따라 0.1–5.5 TeV 범위의 새로운 물리학 스케일에 대한 민감도를 탐지할 수 있다.
• 힉스 자기결합 및 이중 힉스 생산은 힉스 포텐셜을 매핑하는 데 필수적이며 LHC의 다수 채널에서 제약이 걸려 있으며, 향후 충돌기는 더 강한 감도를 목표로 한다.
• 퍼센트에서 퍼밀 수준의 힉스 결합 정밀도는 BSM 물리학에 대한 민감도를 시사하며, EFT 해석은 일부 경우에서 힉스 포털 및 비-EFT 접근 방식을 신중히 고려할 것을 요구한다.
• 보고서는 정밀 힉스 측정과 직접 탐색 및 다른 제약을 결합해야 BSM 풍경을 충분히 탐구할 수 있다고 강조한다.
• 다양한 기계(Higgs factories 및 고에너지 충돌기)에 대한 예측은 정밀 힉스 물리학의 광범위한 기회를 보여준다.