[논문 리뷰] The Future Circular Collider: a Summary for the US 2021 Snowmass Process

M. Abbrescia, E. Brost외 42명|KTH Publication Database DiVA (KTH Royal Institute of Technology)|2022. 03. 12.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 23

한 줄 요약

이 화이트 페이퍼는 정확한 히즈, 전기약, 탑, 플레이버, QCD 및 표준모형 너머의 연구를 위한 경로로 FCC 프로그램(FCC-ee가 먼저이고 그 뒤에 FCC-hh)을 개략하며, 90+ km 터널이 고루미노시티 e+e− 충돌을 가능하게 한 뒤 100 TeV pp 충돌로 이어지는 점에 주목합니다. 미국의 참여와 CERN 인프라와의 시너지도 강조합니다.

ABSTRACT

In this white paper for the 2021 Snowmass process, we give a description of the proposed Future Circular Collider (FCC) project and its physics program. The paper summarizes and updates the discussion submitted to the European Strategy on Particle Physics. After construction of an approximately 90 km tunnel, an electron-positron collider based on established technologies allows world-record instantaneous luminosities at center-of-mass energies from the Z resonance up to tt thresholds, enabling a rich set of fundamental measurements including Higgs couplings determinations at the sub percent level, precision tests of the weak and strong forces, and searches for new particles, including dark matter, both directly and via virtual corrections or mixing. Among other possibilities, the FCC-ee will be able to (i) indirectly discover new particles coupling to the Higgs and/or electroweak bosons up to scales around 7 and 50 TeV, respectively; (ii) perform competitive SUSY tests at the loop level in regions not accessible at the LHC; (iii) study heavy-flavor and tau physics in ultra-rare decays beyond the LHC reach, and (iv) achieve the best potential in direct collider searches for dark matter, sterile neutrinos, and axion-like particles with masses up to around 90 GeV. The tunnel can then be reused for a proton-proton collider, establishing record center-of-mass collision energy, allowing unprecedented reach for direct searches for new particles up to the around 50 TeV scale, and a diverse program of measurements of the Standard Model and Higgs boson, including a precision measurement of the Higgs self-coupling, and conclusively testing weakly-interacting massive particle scenarios of thermal relic dark matter.

연구 동기 및 목표

• FCC 프로젝트와 그 물리학 프로그램을 장기적이고 전 세계적으로 협력하는 노력으로 설명한다.
• FCC-ee와 FCC-hh의 가속기 설계, 연구개발 필요성 및 현장 고려사항을 요약한다.
• 히즈, 전기약, 탑, 플레이버, QCD, 표준모형 확장 이외의 물리학적 가능성을 평가한다.
• FCC-ee와 FCC-hh 간의 시너지 및 예상 일정과 이정표를 설명한다.
• 탐색기/계측의 도전과제 및 미국의 기여가 연구개발과 건설에 미치는 역할을 논의한다.

제안 방법

• Z-포인트, WW 임계, ZH 및 tt̄ 에너지에서의 baseline FCC-ee 운용 시나리오와 예상 루미노시티를 제시한다.
• 모델 독립적 히즈 측정을 위한 히즈 생산 모드(ZH, WW 융합)와 반작용 기법을 정량화한다.
• 루프 효과와 교차섹션 측정을 통한 Higgs 질량, 너비 및 결합의 정밀 연구를 포함한 자기 결합(self-coupling)을 비롯한 정밀 연구를 프로젝션한다.
• 약 100 TeV pp 충돌과 projected integrated luminosity로 FCC-hh로의 전환을 개략하고, 직접 탐색과 Higgs/자기 결합 연구를 고정밀로 가능하게 한다.
• 자석 개발, RF 시스템 및 빔 다이내믹스에서의 가속기 기술(Nb3Sn 자석, 고장전자, 고자장 개념)과 자석 개발, 공동체의 미국 기여를 논의한다.
• FCC-ee와 FCC-hh 측정이 서로를 보완하는 방식과 탐지기/인터페이스 요구사항을 요약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FCC-ee가 Higgs 결합, 질량 및 너비에서 달성할 수 있는 정밀도는 얼마나 되며, 이것이 새로운 물리 스케일에 대한 감도에 어떻게 반영되는가?
• RQ2 FCC 프로그램이 히즈/전기약 분야의 루프 효과 및 혼합을 통해 새로운 입자에 대한 간접적 도달 범위를 어떻게 정량화하는가?
• RQ3 FCC-ee에서 FCC-hh로의 전환에 필요한 자원 및 기술 이정표를 포함한 가능성과 일정은 어떻게 되는가?
• RQ4 현재 충돌기 시설과 비교했을 때 FCC-ee에서의 전기약, 탑, 플레이버 및 QCD 측정의 정밀도 향상은 무엇인가?
• RQ5 미국의 참여와 자금 조달을 전 세계적으로 FCC 프로그램를 구현하기 위해 어떻게 통합할 수 있는가?

주요 결과

• FCC-ee는 대부분의 결합에서 소수점 이하 수준의 정밀도로 히즈 특성을 측정할 수 있으며 few MeV 수준의 히즈 질량 정밀도와 퍼센트 수준의 너비를 달성한다.
• FCC-ee의 직접 및 간접 탐색은 루프 효과 및 혼합을 통해 새로운 물리 스케일에 대해 약 7 TeV( HXX 결합) 및 약 50 TeV(EW/히즈 상호작용)까지의 민감도를 확장한다.
• FCC-hh는 에너지 도달 범위를 다수의 순서를 증가시켜 약 50 TeV 규모까지의 직접 탐색을 가능하게 하며 대규모 데이터 세트를 통한 히즈 자기 결합 및 SM 테스트의 정밀 연구를 가능하게 한다.
• FCC-ee와 FCC-hh 프로그램은 매우 시너지적이며, FCC-ee에서의 절대적 결합 결정은 FCC-hh의 절대 측정으로 이어져 모델 독립적 히즈 및 탑 연구를 가능하게 한다.
• 미국의 참여 및 자석/연구개발 프로그램(Nb3Sn, HTS, 고자장 자석, RF cavities)이 실현 가능성과 과학적 성공의 핵심으로 강조된다.
• FCC 설계는 기존 가속기 지식(VEPP-4M, DAΦNE, SuperKEKB)을 활용하고, 다수의 상호 작용 지점과 크랩-웨이스트 충돌 방식으로 지속 가능한 에너지 사용을 지향한다.