[論文レビュー] Opportunities in Flavour Physics at the HL-LHC and HE-LHC

A. Cerri, V. V. Gligorov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 91被引用数 117

ひとこと要約

この論文は、ハイ・リタリティおよびハイ・エネルギーLHCにおけるフレーバー物理学の機会を概説し、B中間子崩壊、レア過程、ニューフィジックス探索に焦点を当てる。標準模型を超えるニューフィジックスへの感度を高めるために、検出器のアップグレード、改善された再構築技術、システムティック不確実性の取り扱いを詳細に述べる。

ABSTRACT

Motivated by the success of the flavour physics programme carried out over the last decade at the Large Hadron Collider (LHC), we characterize in detail the physics potential of its High-Luminosity and High-Energy upgrades in this domain of physics. We document the extraordinary breadth of the HL/HE-LHC programme enabled by a putative Upgrade II of the dedicated flavour physics experiment LHCb and the evolution of the established flavour physics role of the ATLAS and CMS general purpose experiments. We connect the dedicated flavour physics programme to studies of the top quark, Higgs boson, and direct high-$p_T$ searches for new particles and force carriers. We discuss the complementarity of their discovery potential for physics beyond the Standard Model, affirming the necessity to fully exploit the LHC's flavour physics potential throughout its upgrade eras.

研究の動機と目的

• HL-LHCおよびHE-LHCにおけるフレーバー物理学の、標準模型を超えるニューフィジックスを探る可能性を評価すること。
• 検出器のアップグレードが、B中間子、レプトン、ジェットを含むフレーバーに敏感な最終状態の再構築に与える影響を評価すること。
• 高リタリティ条件下での主要な物理オブジェクト（電子、ミュオン、ジェット、bタグ、欠落運動量）の性能を予測すること。
• ATLAS、CMS、LHCb間で一貫したシステムティック不確実性推定フレームワークを確立し、同等の感度予測を可能にすること。
• レア崩壊やCP対称性の破れを含む、ニューフィジックスに高い感度を示す主要な物理チャネルおよび観測量を同定すること。

提案手法

• LHCbではPythia8およびGeant4を用いたモンテカルロシミュレーションを実施し、ATLASおよびCMSでは詳細な検出器シミュレーションを用いてアップグレード済み検出器の性能をモデル化する。
• ジェット再構築には、LHCbではR=0.5、ATLAS/CMSではR=0.4のアンチ-kTアルゴリズムを適用し、ブーストされたトップおよびヒッグスボソンに対しては大半径ジェット（R=0.8）を用いる。
• |η| < 4.0の領域で最適化された多次元bタグアルゴリズムを採用し、70%の効率を達成。ブーストされたオブジェクトには構造解析技術を併用する。
• 現在の走行と同様のアルゴリズムを用いて欠落運動量を再構築し、積層効果およびタイミング効果の更新モデルを適用する。
• システムティック不確実性の統一的取り扱いを実施：理論的不確実性を50%低減、ランプスケール不確実性を1%、メソドロジーの安定性を向上させる。
• Run 2レベル、YR18（予想される改善）、統計のみの3つのシステムティック不確実性シナリオを比較し、感度推定の堅牢性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCおよびHE-LHCにおけるフレーバー物理学の主要なチャネルで、標準模型を超えるニューフィジックスに最も高い感度を示すものは何か？
• RQ2 特にトラッキング、カリメトリー、トリガーシステムのアップグレードが、稀でフレーバー対称性の破れを伴う崩壊の再構築および同定にどのように影響を与えるか？
• RQ3 2030年までにフレーバー物理学の測定におけるシステムティック不確実性はどの程度低減可能であり、ニューフィジックスへの感度にどのような影響を及えるか？
• RQ4 ATLAS、CMS、LHCbにおける予想される性能およびシステムティック不確実性の取り扱いは、どのように比較可能となり、実験間で一貫した感度予測を可能にするか？
• RQ5 CP非対称性、レア崩壊、異常カップリングなどの特定の観測量は、HL-LHCでどの程度の高い発見可能性を示すか？

主な発見

• HL-LHCでは、統合リタリティが最大3000 fb⁻¹に達すると予想され、レアB中間子崩壊およびCP対称性の破れを伴う過程への感度が顕著に向上する。
• 検出器のアップグレードにより、内側トラッカーの完全な交換および|η| < 4.0へのカバレッジ拡張が実現し、チャージド粒子およびbジェットの再構築効率とエネルギー分解能が向上する。
• 多次元手法を用いたbタグ効率は70%に達すると予想され、高pTのブーストされたトップおよびヒッグスジェットはジェットの内部構造変数を用いて効果的に同定可能である。
• 高次の計算およびPDF不確実性の改善により、システムティック不確実性は2倍低減されると予想され、ランプスケール不確実性は1%にまで低下する。
• 積層の増加にもかかわらず、トリガーシステムがアップグレードされ、高レートの物理トリガの効果が維持または向上する。
• ATLAS、CMS、LHCb間の統合的分析フレームワークにより、一貫した感度予測が可能となり、B→K*μμやレア崩壊のような主要なチャネルが、高い発見可能性を示す。