[논문 리뷰] The Physics potential of the CEPC. Prepared for the US Snowmass Community Planning Exercise (Snowmass 2021)

H. J. Cheng, Wen-Ta Chiu외 21명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 17.

Particle Detector Development and Performance인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 새로운 nominal 런 시나리오 아래 CEPC의 Higgs/EW/top 물리 포텐셜을 업데이트하고, 향후 고에너지 업그레이드가 있는 Higgs/Z 공장을 위한 투영된 정밀도, 업그레이드 경로, 및 검출기 R&D를 제시한다.

ABSTRACT

The Circular Electron Positron Collider (CEPC) is a large-scale collider facility that can serve as a factory of the Higgs, Z, and W bosons and is upgradable to run at the ttbar threshold. This document describes the latest CEPC nominal operation scenario and particle yields and updates the corresponding physics potential. A new detector concept is also briefly described. This submission is for consideration by the Snowmass process.

연구 동기 및 목표

• CEPC의 업데이트된 nominal 작동 시나리오 하에서 Higgs, 전자약(EW), 및 top 물리 포텐셜을 정량화한다.
• 다양한 CEPC 런 모드(Z 공장, Higgs 공장, WW 임계, 및 t t̄ 임계)에서 Higgs 결합, Higgs 폭, 및 희귀 감쇠의 정밀성 도달 범위를 평가한다.
• CEPC 측정값 해석에 대한 SMEFT/Higgs EFT 프레임워크의 영향과 HL-LHC와의 시너지 효과를 평가한다.
• 감마-타비드? 플래그? (flavor), QCD, 및 표준모형 확장(BSM) 기회(이상적 붕괴, 다크 matter, 장수 입자 등)와 검출기 요건 및 R&D 필요를 개요화한다.

제안 방법

• 업데이트된 CEPC 런 시나리오와 수율(Z, WW 임계, Higgs, t t̄ 업그레이드)을 재점검한다.
• κ-framework와 SMEFT 프레임워크를 사용해 포함된 및 배타적 Higgs 교차섹션, 분기비, 총 폭의 투영을 수행한다.
• CEPC 투영을 HL-LHC 벤치마크와 비교해 정밀도 향상을 설명한다.
• Z-극 및 WW 임계 런에서 Z 및 W 보손 관측치를 투영해 EW 정밀도 영향을 추정한다.
• 검출기 성능 가정과 ML 기반 분석을 포함해 Higgs 측정 및 CP위반 민감도을 정교화한다.
• 물리 프로그램을 뒷받침하는 검출기 R&D 필요성 및 MDI/진공/가속 기술 요약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업데이트된 240 GeV 및 360 GeV 런 시나리오에서 CEPC가 달성할 수 있는 Higgs 결합 및 Higgs 폭에 대한 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ2 CEPC Higgs 및 EW 측정이 HL-LHC와 비교해 SMEFT 연산자 및 비정상 삼중 게이지 결합에 어떠한 제약을 주는가?
• RQ3 CEPC가 Higgs 결합의 CP 위반을 어느 수준까지 검사하고 이상적 붕괴 및 다크-섹터 시그니처를 탐색할 수 있는가?
• RQ4 특히 Z-극 및 WW 임계 런에서 W/Z 특성 및 top-쿼크 매개변수에 대한 projected EW 정밀도 개선은 얼마나 되는가?
• RQ5 예상된 물리 이득을 실현하기 위한 핵심 검출기 요건 및 R&D 필요성은 무엇인가?

주요 결과

• CEPC는 업그레이드 후 약 400만 개의 Higgs 보손과 거의 4조 개의 Z 보손, 400백만 개 이상의 W 보손 쌍 및 최대 약 1백만 개의 top 쿼크를 제공할 수 있다.
• 240 GeV 런에서 20 ab−1의 경우 포함적 Higgs 교차섹션의 정밀도가 약 0.26%로 향상되며, 240 GeV와 360 GeV 런을 결합하면 Higgs 폭을 대략 1.1%로 결정할 수 있다.
• SMEFT/kappa 프레임워크에서 많은 결합에 대한 Higgs 결합 정밀도가 10−2에서 10−3 수준에 도달하며, hZZ 및 관련 연산자는 EW 프로그램에 의해 특히 잘 제약되어 강한 간접 뉴 물리성 민감도를 가능하게 한다.
• 360 GeV 런은 신호 모드의 분리 및 보강된 생산 채널로 인해 Higgs-WW 결합 및 SMEFT 연산자에 대한 민감도를 크게 향상시킨다.
• CEPC는 Z 극 및 WW 임계 런에서의 예측된 불확실성으로 대단히 향상된 EW 정밀도 프로그램을 제공하며, mZ, ΓZ, mW, ΓW, sin^2 θWeff 및 Alicoupled 관측치의 불확실성은 현재 측정치를 대략 한 차례 규모로 능가한다; 빔 에너지 보정은 주요 시스템오로, 개선이 가능하다.
• 문서는 Exotic Higgs decays, SUSY-EW, 다크 물질/다크 섹터, 장수 입자 등 광범위한 BSM 탐색 기회를 개요하고, 근거리-검출기와 원거리-검출기 전략, 그리고 검출기 R&D 필요성을 제시한다.