[论文解读] Higgs Working Group Report of the Snowmass 2013 Community Planning Study

S. Dawson, A. V. Gritsan+132 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2013

Rural development and sustainability参考文献 13被引用 155

一句话总结

本Snowmass 2013报告概述了未来对撞机在精确测量希格斯玻色子性质——耦合、自旋、CP性质、自耦合以及潜在的新希格斯态——方面的精密希格斯物理计划。主要发现是，$e^+e^-$对撞机（如ILC和CLIC）在耦合与CP测量方面具有更优的精度，而强子对撞机（HL-LHC、VLHC）与μ子对撞机则在探测重希格斯玻色子及自耦合研究方面具有最高的发现能力。

ABSTRACT

This report summarizes the work of the Energy Frontier Higgs Boson working group of the 2013 Community Summer Study (Snowmass). We identify the key elements of a precision Higgs physics program and document the physics potential of future experimental facilities as elucidated during the Snowmass study. We study Higgs couplings to gauge boson and fermion pairs, double Higgs production for the Higgs self-coupling, its quantum numbers and $CP$-mixing in Higgs couplings, the Higgs mass and total width, and prospects for direct searches for additional Higgs bosons in extensions of the Standard Model. Our report includes projections of measurement capabilities from detailed studies of the Compact Linear Collider (CLIC), a Gamma-Gamma Collider, the International Linear Collider (ILC), the Large Hadron Collider High-Luminosity Upgrade (HL-LHC), Very Large Hadron Colliders up to 100 TeV (VLHC), a Muon Collider, and a Triple-Large Electron Positron Collider (TLEP).

研究动机与目标

• 确定精确希格斯物理计划的核心要素，以检验标准模型并探测新物理。
• 评估未来实验设施（包括$e^+e^-$、强子和轻子对撞机）在高精度测量希格斯玻色子性质方面的物理潜力。
• 比较不同对撞机设计（如ILC、CLIC、TLEP、HL-LHC、VLHC、μ子对撞机）在探测希格斯耦合、自耦合、自旋、CP性质及重希格斯态方面的独特优势。
• 基于详细模拟研究，预测各设施在希格斯质量、总宽度及耦合偏差方面的测量灵敏度。
• 利用未来对撞机数据，评估非最小希格斯结构和额外希格斯玻色子在各种理论模型中的发现潜力。

提出的方法

• 综合分析LEP、Tevatron和LHC数据中的希格斯玻色子测量与搜索结果，为精确物理建立基线。
• 利用未来对撞机设施（如CLIC、ILC、TLEP、HL-LHC、VLHC、μ子对撞机、$γ\gamma$对撞机）的详细模拟研究，预测测量精度与发现能力。
• 评估希格斯玻色子与规范 boson 及费米子的耦合，包括$H \to b\bar{b}$、$\tau^+\tau^-$、$WW^*$、$ZZ^*$、$\gamma\gamma$ 和 $\gamma Z$衰变模式。
• 通过双希格斯粒子产生（$gg \to HH$）和$t\bar{t}H$产生过程，预测对希格斯自耦合的灵敏度。
• 通过$H \to ZZ^*$、$H \to \tau^+\tau^-$和$ttH$末态中的$C\!P$-奇成分评估CP性质，特别关注极化束流能力。
• 比较$e^+e^-$对撞机（ILC、CLIC、TLEP）在精确耦合测量方面的表现，与强子对撞机（HL-LHC、VLHC）及μ子对撞机在高能质量覆盖与共振产生方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在未来的$e^+e^-$与强子对撞机中，希格斯玻色子对费米子与规范 boson 的耦合测量精度预期如何？
• RQ2 在CLIC、ILC、TLEP与HL-LHC中，希格斯自耦合的测量精度如何？该通道对新物理的灵敏度如何？
• RQ3 未来对撞机对希格斯自旋宇称破坏的敏感度如何，特别是在$H \to \tau^+\tau^-$与$H \to ZZ^*$衰变中？
• RQ4 在$pp$、$e^+e^-$与μ子对撞机中，新标准模型之外的理论模型里额外希格斯玻色子的质量探测范围如何？
• RQ5 不同对撞机设计（如TLEP、CLIC、VLHC）在测量稀有希格斯衰变模式（如$\mu^+\mu^-$与$Z\gamma$）方面的能力如何比较？

主要发现

• HL-LHC在14 TeV下运行3000 fb⁻¹，可使希格斯耦合测量精度比8 TeV LHC运行提升3至5倍，并可实现首次对希格斯自耦合的测量。
• CLIC在3 TeV运行时可实现10%的希格斯自耦合测量精度，而VLHC在100 TeV下可达到8%的精度，显著提升对新物理的敏感度。
• ILC与CLIC $e^+e^-$对撞机可将$H \to ZZ^*$中的$C\!P$-奇成分测量精度达到百分之几，且在VBF产生中可能进一步提升。
• 在$e^+e^-$对撞机中，$\tau\tau H$耦合中的$C\!P$混合成分可实现约1%的测量精度，且极化束流可实现光子与μ子对撞机中直接的$C\!P$破坏研究。
• TLEP由于其高亮度与多种探测器配置，可实现大多数希格斯耦合测量的最高精度，但对$ttH$与$HHH$耦合不敏感。
• μ子对撞机在精确希格斯物理方面具有与ILC和CLIC相当的潜力，可能具备更高的能量覆盖与重希格斯态的共振产生能力，但需进一步研究。