[論文レビュー] Higgs physics at the Future Circular Collider

D. d’Enterria|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、CERNにおける将来の円形衝突型加速器（FCC）が、それぞれ125–350 GeVおよび100 TeVで高出力の$\rm e^{+}e^{-}$および$\rm pp$衝突を実施することで、ヒッグス bosonの性質に対する前例のない高精度な測定を可能にすると提案している。FCCは、軽いフェルミオンへのヒッグスヤクバイ結合、自己結合、および6 TeV以上のスケールでの新物理を、1パーセント未満の精度で測定可能であり、LHCの到達範囲を超える。

ABSTRACT

The unique Higgs physics opportunities accessible at the CERN Future Circular Collider (FCC) in electron-positron ($\sqrt{s}$ = 125, 240, 350 GeV) and proton-proton ($\sqrt{s}$ = 100 TeV) collisions, are succinctly summarized. Thanks to the large c.m. energies and enormous luminosities (plus clean experimental conditions in the $e^+e^-$ case), many open fundamental aspects of the Higgs sector of the Standard Model (SM) can be experimentally studied: (i) Measurement of the Higgs Yukawa couplings to the lightest fermions: u,d,s quarks (via rare exclusive $H o(ρ,ω,ϕ)+γ$ decays); and e$^\pm$ (via resonant s-channel $e^+e^- o H$ production); as well as neutrinos (within low-scale seesaw mass generation scenarios); (ii) Measurement of the Higgs potential (triple $λ_3$, and quartic $λ_4$ self-couplings), via double and triple Higgs boson production in pp collisions at 100 TeV; (iii) Searches for new physics coupled to the scalar SM sector at scales $Λ>$ 6 TeV, thanks to measurements of the Higgs boson couplings with subpercent uncertainties in $e^+e^- o H\,Z$; and (iv) Searches for dark matter in Higgs-portal interactions, via high-precision measurements of on-shell and off-shell Higgs boson invisible decays. All these measurements are beyond the reach of pp collisions at the Large Hadron Collider. New higher-energy $e^+e^-$ and pp colliders such as FCC are thus required to complete our understanding of the full set of SM Higgs parameters, as well as to search for new scalar-coupled physics in the multi-TeV regime.

研究の動機と目的

• 標準模型における未解決の根本的問題、例えばフェルミオン質量の起源、ヒッグス自己結合、およびダークマターの性質を解明すること。
• 軽いフェルミオン（u, d, s, e, ν）の未知のヤクバイ結合とヒッグス自己結合を測定することで、標準模型ヒッグス系の実験的記述を完成させること。
• 高精度なヒッグス結合と非可視崩壊を通じて、6 TeV以上のスケールでの新物理を探索すること。
• LHCを越えるヒッグス系の包括的な実験計画を提供すること。これには希少およびオフシェルヒッグス崩壊が含まれる。
• FCCを、LHCに比べて50倍も高い精度でヒッグス性質を測定可能な「ヒッグス工場」として確立すること。

提案手法

• 125、240、350 GeVの$\rm e^{+}e^{-}$衝突を用い、ヒッグスボソンをヒッグス放射（$\rm e^{+}e^{-} \to HZ$）およびヒッグス極小での共鳴$ s $-チャネル生成により生成する。
• $\sim 10^{-5}$–$10^{-6}$の分岐比を持つ、希少な排他的崩壊$\rm H \to \rho,\omega,\phi + \gamma$を測定することで、軽いクォーク（u, d, s）へのヤクバイ結合を調べる。
• 125 GeV付近での$\sqrt{s} \approx 125$ GeVにおける共鳴$\rm e^{+}e^{-} \to H$生成を用いて、電子ヤクバイ結合を直接測定する。
• $\rm e^{+}e^{-}$衝突における$\rm H \to Z + \text{inv}$を通じてヒッグスの非可視幅を高精度で測定し、ヒッグスポータルダークマターを探索する。
• 100 TeVの$\rm pp$衝突において、二重および三重ヒッグス生成を研究することで、三重（$\lambda_3$）および四重（$\lambda_4$）自己結合を抽出する。
• 次元6のオペレーターを用いた有効場理論（EFT）を適用し、結合測定の解釈を行い、新物理スケール$\Lambda \gtrsim$ 6 TeVの上限を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒッグスボソンの最も軽いクォーク（u, d, s）および電荷を帯びたレプトン（e）へのヤクバイ結合を、1パーセント未満の精度で測定可能か？
• RQ2 二重および三重ヒッグス生成を通じて、FCCがヒッグス自己結合（$\lambda_3$, $\lambda_4$）にどの程度感度を持つのか？
• RQ3 $\rm e^{+}e^{-}$衝突におけるヒッグス結合の高精度測定を通じて、どのスケール$\Lambda$まで新物理を探索できるか？
• RQ4 ヒッグスボソンの非可視分岐比を0.5%の不確かさで測定可能か？これによりヒッグスポータルダークマターを探索可能か？
• RQ5 FCCの能力は、LHCおよびHL-LHCに比べて、希少ヒッグス崩壊および新物理の探索においてどのように優れているか？

主な発見

• FCC-eeは、最大80 ab$^{-1}$の統合放射光強度で最大$2 \cdot 10^6$個のヒッグスボソンを生成でき、ヒッグス結合の1パーセント未満の精度での測定が可能になる。
• この$\rm e^{+}e^{-}$モードにより、125 GeV付近での共鳴$ s $-チャネル$\rm e^{+}e^{-} \to H$生成を用いて、電子ヤクバイ結合を直接測定できる。
• 排他的崩壊$\rm H \to \rho(\pi\pi)\gamma$は、低バックグラウンドで約40件のイベントを予想し、u/dクォークへのヤクバイ結合に感度を持つ。
• FCC-eeでは、非可視分岐比を5$\sigma$の有意性でBR = 1.7%まで測定可能であり、95%信頼区間の上限を0.5%まで設定できる。
• FCC-hhは、100 TeVの$\sqrt{s}$で$2 \cdot 10^{10}$個のヒッグスボソンを生成でき、$g_{\rm t\bar{t}}$、$g_{\mu\mu}$、$g_{\rm Z\gamma}$の測定を1%のレベルで行える。
• FCC-eeにおけるヒッグス結合の高精度測定により、新物理スケール$\Lambda \gtrsim$ 6 TeVを探索可能であり、有効場理論により$\delta g_{ZZ}/g_{ZZ} \approx$ 0.15%から$\Lambda \gtrsim$ 5.8 TeVの推定が得られる。