[논문 리뷰] Report of the Topical Group on Physics Beyond the Standard Model at Energy Frontier for Snowmass 2021

T. Bose, A. Boveia외 320명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 Snowmass 2021 보고서는 에너지 선단에서 표준모형을 초월한 물리학을 발견하기 위한 전략적 로드맵을 제시하며, HL-LHC의 업그레이드, 향후 전자-양전자 힉스 공장, 다이-테르바 볼트 콜라이더를 지지한다. 이 시설들이 초위상 대칭, 어둠의 광자, 힉스의 투명한 붕괴, 은신된 섹터에 대한 감도를 크게 향상시켜 자연스러운 슈퍼대칭과 열적 WIMP 암흑물질의 탐색 범위를 최대 두 계단 정도 확장할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

This is the Snowmass2021 Energy Frontier (EF) Beyond the Standard Model (BSM) report. It combines the EF topical group reports of EF08 (Model-specific explorations), EF09 (More general explorations), and EF10 (Dark Matter at Colliders). The report includes a general introduction to BSM motivations and the comparative prospects for proposed future experiments for a broad range of potential BSM models and signatures, including compositeness, SUSY, leptoquarks, more general new bosons and fermions, long-lived particles, dark matter, charged-lepton flavor violation, and anomaly detection.

연구 동기 및 목표

• 미래의 고에너지 콜라이저가 표준모형을 초월한 물리학을 발견할 잠재력을 평가하기 위해.
• 에너지 선단에서 가장 접근 가능한 표준모형을 초월한 현상들—예를 들어 초위상 대칭, 어둠의 광자, 힉스의 투명한 붕괴—을 특정하기 위해.
• 제안된 시설들을 통해 감도 향상 정도를 정량화하여 미국 및 국제적 자금 지원 우선순위를 안내하기 위해.
• 희귀 과정과 암흑물질 신호와 같은 다른 선단과의 통합을 위해.
• 차세대 발견을 가능하게 하기 위해 가속기, 검출기, 계산 기반 기술의 조율된 연구개발(R&D)을 촉진하기 위해.

제안 방법

• HL-LHC 업그레이드, 전자-양전자 힉스 공장, 다이-테르바 볼트 콜라이더(핵반, 뮤온, 또는 전자-양전자/포톤)를 포함한 계층적인 실험 프로그램을 제안한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션과 이론적 모델링을 사용하여 다양한 콜라이더 유형에서 표준모형을 초월한 신호의 감도 향상을 예측한다.
• 정밀한 힉스 측정과 임계값 스캔(예: Z-폴, 쿼크 쌍 생성, WW 임계값)을 적용하여 약한 결합을 가진 새로운 물리학을 탐색한다.
• 저에너지 및 중간 에너지에서 고광도 전자-양전자 충돌을 통해 새로운 물리학에 대한 간접적 제약 조건을 평가한다.
• 기준 모델(예: 자연스러운 슈퍼대칭, 힉스이노 유사 WIMP, 어둠의 광자)을 사용하여 다양한 콜라이더 유형 간의 발견 가능 범위를 비교한다.
• 향후 발견을 가능하게 하는 핵심 요소로 가속기 R&D, 검출기 개발, 계산 인프라 통합을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC는 압축된 초위상 대칭과 어둠의 광자 결합에 대해 얼마나 향상된 감도를 제공하는가?
• RQ2 향후 전자-양전자 힉스 공장은 이국적인 힉스 붕괴와 약한 결합을 가진 은신된 섹터를 얼마나 잘 탐색할 수 있는가?
• RQ3 다이-테르바 볼트 콜라이더는 자연스러운 스케일의 새로운 물리학과 열적 WIMP 암흑물질에 대해 어떤 예상 탐색 범위를 가질 수 있는가?
• RQ4 Z-폴과 쿼크 쌍 생성 임계값에서의 정밀 측정은 직접 생성 외의 새로운 물리학을 얼마나 제약하는가?
• RQ5 에너지 선단의 발견과 희귀 붕괴나 g-2 측정에서의 이상 현상 사이에 어떤 상호보완적 관계가 존재하는가?

주요 결과

• HL-LHC는 압축된 힉스이노와 RPC 스토퍼-스키워크의 감도를 1.5에서 2배로 향상시켜 자연스러운 슈퍼대칭 매개변수 공간의 넓은 영역을 커버할 수 있다.
• 히iggs 공장은 어둠의 광자 결합에 대해 감도를 10배 향상시키고, 힉스의 투명한 붕괴 분율 측정에 대해 4배 향상된 성능을 달성할 수 있다.
• 다이-테르바 볼트 콜라이더는 HL-LHC에 비해 열적 WIMP 암흑물질의 탐색 범위를 최대 두 계단 정도 확장할 수 있다.
• Z-폴과 쿼크 쌍 생성 임계값에서의 정밀 측정은 어둠의 광자를 포함한 약한 결합을 가진 새로운 물리학을 상당히 제약할 수 있다.
• 통합된 프로그램은 직접적으로 HL-LHC가 다룰 수 없는, 작은 결합을 가진 은신된 섹터를 포함한 새로운 물리학 스케일에 간접적으로 접근할 수 있게 한다.
• 이 보고서는 향후 콜라이저의 전부의 발견 잠재력을 실현하기 위해 가속기, 검출기, 계산 기반 기술의 조율된 R&D가 필수적임을 강력히 주장한다.