[논문 리뷰] Higgs measurement at e+e- circular colliders

M. Q. Ruan|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 향후 e⁺e⁻ 원형 충돌기인 FCC-ee와 CEPC에서 중심질량 에너지 약 240 GeV에서 Higgsstrahlung 및 벡터 보손 융합 반응을 활용하여 고정밀도 Higgs 보손 측정을 제안한다. 5–10년 동안 5–10 ab⁻¹의 통합 루미노시티를 통해, 페르미온과 게이지 보손으로의 Higgs 결합, Higgs 너비, 분해비율을 백분율 수준 이하의 정밀도로 측정할 수 있으며, 이는 수 테라전자볼트 수준의 새로운 물리 현상을 탐색할 수 있다.

ABSTRACT

Now that the mass of the Higgs boson is known, circular electron positron colliders, able to measure the properties of these particles with high accuracy, are receiving considerable attention. Design studies have been launched (i) at CERN with the Future Circular Colliders (FCC), of which an e+e- collider is a potential first step (FCC-ee, formerly caller TLEP) and (ii) in China with the Circular Electron Positron Collider (CEPC). Hosted in a tunnel of at least 50 km (CEPC) or 80-100 km (FCC), both projects can deliver very high luminosity from the Z peak to HZ threshold (CEPC) and even to the top pair threshold and above (FCC-ee). At the ZH production optimum, around 240 GeV, the FCC-ee (CEPC) will be able to deliver 10 (5) ab-1 integrated luminosity in 5 (10) years with 4 (2) interaction points: hence to produce millions of Higgs bosons through the Higgsstrahlung process and vector boson fusion processes. This sample opens the possibility of subper- cent precision absolute measurements of the Higgs boson couplings to fermions and to gauge-bosons, and of the Higgs boson width. These precision measurements are potentially sensitive to multi-TeV range new physics interacting with the scalar sector. The ZH production mechanism also gives access to the invisible or exotic branching ratios down to the per mil level, and with a more limited precision to the triple Higgs coupling. For the FCC-ee, the luminosity expected at the top pair production threshold (sqrt(s) ~ 340-350 GeV) further improves some of these accuracies significantly, and is sensitive to the Higgs boson coupling to the top quark.

연구 동기 및 목표

• 고광도 e⁺e⁻ 충돌을 통해 페르미온과 게이지 보손으로의 Higgs 보손 결합에 대한 백분율 이하 정밀도 측정을 가능하게 하기 위해.
• Z → H 잠김 조건에서 공명 생성을 통해 Higgs 보손 너비를 고정밀도로 측정하기 위해.
• ZH 생성을 통해 은폐된 또는 이국적인 Higgs 붕괴를 퍼밀레 수준까지 탐색하기 위해.
• 상태의 삼중 Higgs 결합과 토프 쿼크의 요쿠카 결합을 상단 쌍 생성 임계점 근처 고에너지 운용을 통해 접근하기 위해.
• 스칼라 섹터에서의 새로운 물리 현상에 대한 향후 원형 e⁺e⁻ 충돌기의 민감도 평가를 위해.

제안 방법

• 중심질량 에너지 √s ≈ 240 GeV에서 Higgsstrahlung (e⁺e⁻ → ZH)를 이용해 수백만 개의 Higgs 보손을 생성하기 위해.
• 동일한 에너지에서 벡터 보손 융합(VBF) 과정을 활용해 Higgs 신호 감도를 향상시키기 위해.
• 4 또는 2개의 상호작용 지점에서 5–10년 동안 고통합 루미노시티(5–10 ab⁻¹)를 확보해 통계적 정밀도를 확보하기 위해.
• 재구성된 Higgs 붕괴 모드(은폐 붕괴 포함)를 이용해 절대 결합 측정을 수행하기 위해.
• 상단 쿼크 쌍 생성을 접근하기 위해 √s ≈ 340–350 GeV로 확장하여 상단-요쿠카 결합에 대한 민감도를 향상시키기 위해.
• 선형형태 및 운동량 분포에서 정밀 재구성 기법을 적용해 Higgs 너비와 삼중 Higgs 결합을 추출하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 e⁺e⁻ 원형 충돌기에서 페르미온과 게이지 보손으로의 Higgs 보손 결합 측정에 도달 가능한 정밀도는 무엇인가요?
• RQ2 ZH 공명 생성을 통해 ZH 잠김 조건에서 Higgs 보손 너비를 백분율 이하 정밀도로 측정할 수 있나요?
• RQ3 ZH 사건을 통해 은폐되거나 이색적인 Higgs 붕괴 비율은 어느 정도까지 탐색할 수 있나요?
• RQ4 이 충돌기는 삼중 Higgs 결합과 상단 쿼크 요쿠카 결합에 대해 어느 정도 민감한가요?
• RQ5 이 충돌기는 표준모형을 넘어서는 새로운 물리 현상을 탐지하거나 제약하는 데 어떤 잠재력을 지니고 있나요?

주요 결과

• CEPC와 FCC-ee 충돌기는 각각 10년과 5년 동안 5 ab⁻¹ 및 10 ab⁻¹의 통합 루미노시티를 제공하여 수백만 개의 Higgs 보손을 생성할 수 있다.
• ZH 생성 피크에서 페르미온과 게이지 보손으로의 Higgs 결합에 대한 절대 측정에서 백분율 이하 정밀도를 달성할 수 있다.
• ZH 잠김 조건에서 날카운 공명 구조 덕분에 Higgs 보손 너비를 고정밀도로 측정할 수 있다.
• ZH 사건을 통해 은폐된 및 이색적인 붕괴 비율을 퍼밀레 수준까지 탐색할 수 있다.
• √s ≈ 340–350 GeV에서 상단 쌍 생성 임계점은 상단 쿼크 요쿠카 결합에 대한 민감도를 크게 향상시킨다.
• 정밀한 결합 및 너비 측정을 통해 스칼라 섹터에서의 새로운 물리 현상 효과를 다이아몬드 테라전자볼트 수준까지 감지할 수 있다.