[논문 리뷰] The collider landscape: which collider for establishing the SM instability?

Roberto Franceschini, Алессандро Струмиа외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 60인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 새로운 물리학이 존재하지 않는 조건에서, 가장 전략적으로 가치 있는 근접한 콜라이더 목표는 힉스 포텐셜의 불안정성 스케일을 정밀하게 측정하는 것임을 주장한다. 이를 위해 토프 쿼크 질량과 강한 상호작용 상수의 불확실성을 줄이는 것이 핵심이다. 연구는 저광도 e⁺e⁻ 콜라이더 또는 초기 단계의 뮤온 콜라이더가 t¯t 임계값 스캔을 수행함으로써 필요한 정밀도를 확보할 수 있으며, 이는 표준모형의 진공 안정성과 다양한 진공 상태 중에서 인과적 선택이 일어날 가능성에 대한 중요한 시험을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Capabilities of future colliders are usually discussed assuming specific hypothetical new physics. We consider the opposite possibility: that no new physics is accessible, and we want to learn if the unnatural Standard Model is part of a vast landscape. We argue that a main step in this direction would be establishing the possible instability scale of the Higgs potential. This primarily needs reducing the uncertainty on the strong coupling and on the top quark mass. We show that the top quark mass can be measured well enough via a tt ̄ threshold scan with low 1033 cm−2sec−1 luminosity, that seems achievable at a ‘small’ e+e− collider in the LEP tunnel, or at a muon collider demonstrator.

연구 동기 및 목표

• 접근 가능한 에너지에서 새로운 물리학이 발견되지 않을 경우, 가장 전략적으로 가치 있는 콜라이더 프로젝트를 특정하는 것.
• 특히 토프 쿼크 질량과 강한 상호작용 상수와 같은 표준모형 매개변수의 정밀 측정이 힉스 포텐셜의 불안정성 스케일을 어떻게 탐색할 수 있는지 평가하는 것.
• 다중우주 또는 지형 시나리오의 맥락에서 고정밀 표준모형 측정의 정보이론적 가치를 평가하는 것.
• LEP 터널 내의 '작은' 콜라이더 또는 초기 단계의 뮤온 콜라이더가 진공 안정성 시험을 위한 필수 정밀도를 확보할 수 있는지 판단하는 것.
• 기본 매개변수 측정으로부터 확보되는 정보의 양을 정량화하는 것, 특히 거대한 지형 내에서 표준모형 진공의 위치를 특정하는 데 관련하여

제안 방법

• 저광도(~10³³ cm⁻²s⁻¹)의 e⁺e⁻ 콜라이더에서 t¯t 임계값 스캔을 제안하여 토프 쿼크 질량을 고정밀도로 측정한다.
• 정보이론, 특히 조건부 엔트로피를 사용하여 기본 매개변수 측정이 진공 지형에 대해 제공하는 정보의 양을 정량화한다.
• 샤논 정보이론을 적용하여 현재의 표준모형 및 천체물리학 매개변수 측정으로부터 확보되는 e-비트 수를 추정한다.
• 두 가지 시나리오를 고려한다: 하나는 작은 매개변수의 주요 자리수(예: yμ ≈ 0.0006)가 정보를 제공하는 경우이며, 다른 하나는 자연적 메커니즘이 작은 값을 생성하므로 정보가 되지 않는 경우이다.
• 이론적 불확실성이 지형 예측에 미치는 영향을 분석하지만, 주로 실험적 정보 획득을 분리하기 위해 주요 분석에서는 이를 무시한다.
• 현재 측정의 정보량(주요 자리수가 정보로 간주되면 약 655 e-비트, 否면 약 160 e-비트)을, 약 10⁵⁰⁰개의 진공 상태가 존재하는 지형 내에서 표준모형 진공을 특정하는 데 필요한 정보량(~1150 e-비트)과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저광도 e⁺e⁻ 콜라이더 또는 초기 단계의 뮤온 콜라이더가 힉스 포텐셜의 불안정성 시험을 위해 필요한 정밀도로 토프 쿼크 질량과 강한 상호작용 상수를 측정할 수 있는가?
• RQ2 현재의 고정밀 표준모형 매개변수 측정이 가상의 진공 지형 내에서 표준모형 진공의 위치를 특정하는 데 얼마나 많은 정보를 제공하는가?
• RQ3 진공 안정성의 맥락에서 토프 쿼크 질량과 강한 상호작용 상수의 측정이 다른 표준모형 매개변수에 비해 정보이론적 가치가 얼마나 되는가?
• RQ4 지형 예측에 영향을 주는 이론적 불확실성이 실험 측정으로부터의 정보 획득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 새로운 물리학을 발견하지 못한 상황에서 힉스 포텐셜의 불안정성 스케일을 얼마나 정확히 결정할 수 있으며, 이 작업에 최적의 콜라이더 설정은 무엇인가?

주요 결과

• 약 ~10³³ cm⁻²s⁻¹ 광도를 가진 e⁺e⁻ 콜라이더에서 t¯t 임계값 스캔을 수행하면, 힉스 포텐셜의 불안정성 시험을 위한 필요한 정밀도로 토프 쿼크 질량과 강한 상호작용 상수를 측정할 수 있다.
• 현재의 기본 표준모형 매개변수 측정은 주요 자리수가 정보로 간주되면 약 655 e-비트, 否면 약 160 e-비트의 정보를 제공한다.
• 토프 쿼크 질량과 강한 상호작용 상수의 측정으로부터의 정보 획득은 고에너지 영역에서 힉스 포텐셜이 더 깊은 최소값을 가지는지 여부를 결정하는 데 핵심적이다.
• 약 10⁵⁰⁰개의 진공 상태가 존재하는 지형 내에서 표준모형 진공을 특정하기 위해 필요한 정보는 약 1150 e-비트이며, 이는 현재 측정이 부족하지만 필수적인 첫걸음임을 시사한다.
• 논문은 새로운 물리학이 존재하지 않는 상황에서도 힉스 포텐셜의 불안정성 스케일이 향후 콜라이더의 핵심 목표임을 보여주며, 이는 표준모형이 더 넓은 지형 내에서 차지하는 위치에 대한 구조적 정보를 제공한다.
• 분석은 특히 진공 안정성과 같은 임계 전이 근처의 매개변수에 대한 정밀 측정이 지형 시나리오에서 정보이론적으로 매우 중요한 가치를 지닌다는 것을 입증한다.