[論文レビュー] Projected Performance of an Upgraded CMS Detector at the LHC and HL-LHC: Contribution to the Snowmass Process

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 69

ひとこと要約

この論文は、高輝度LHC（HL-LHC）におけるアップグレードされたCMS検出器の物理学的性能を予測し、125 GeVのヒッグスボソンの性質、トップクォークおよび電弱過程、そして標準模型を超える新しい物理学に対する感度の向上を予想している。√s = 14 TeVで300 fb⁻¹のデータ、HL-LHCでは最大3000 fb⁻¹のデータを取得することで、125 GeVのヒッグスボソンの高精度な研究が可能になるとともに、新しい共鳴状態や超対称性粒子の発見が期待される。

ABSTRACT

The physics reach of the CMS detector achievable with 300(0) inverse femtobarns of proton-proton collisions recorded at sqrt(s)=14 TeV is presented. Ultimate precision on measurements of Higgs boson properties, top quark physics, and electroweak processes are discussed, as well as the discovery potential for new particles beyond the standard model. In addition, the potential for future heavy ion physics is presented. This document has been submitted as a white paper to the Snowmass process, an exercise initiated by the American Physical Society's Division of Particles and Fields to assess the long-term physics aspirations of the US high energy physics community.

研究の動機と目的

• 米国スノマス過程の枠組み内で、アップグレードされたLHCおよびHL-LHCにおけるCMS検出器の長期的物理学的潜在能力を評価すること。
• ヒッグスボソンの性質、トップクォーク物理学、電弱過程、および標準模型を超える新しい物理学に対する発見および測定感度を予測すること。
• 高輝度条件下での高精度な重イオン物理学研究の可能性、特に一部のエネルギー損失とクォーカー状態の抑制を評価すること。
• 増加する積み重ね（プイルアップ）と輝度に耐えるために、性能を維持するための検出器アップグレードの必要性を裏付けること。

提案手法

• 放射線およびプイルアップ効果を緩和する検出器アップグレードを想定し、現在のCMS解析をより高い中心系エネルギー（√s = 14 TeV）および輝度に外挿する。
• パートン輝度スケーリングを用いて、特に高エネルギーでのグルーオン融合を伴う新しい物理学過程の生成率の増加を推定する。
• 既存の解析戦略が有効であると仮定するが、より高いエネルギーおよび輝度に再最適化されたものとして、感度の向上を予測する。
• 予想される統合輝度（LHCでは300 fb⁻¹、HL-LHCでは最大3000 fb⁻¹）に基づいて、物理学的探査範囲を予測する。
• 1回の衝突あたり最大128個の相互作用を含むプイルアップ条件下でのトリガーおよび再構成性能を評価する。
• ジャットクエンチィング、フォトン＋ジャット、Z＋ジャット相関を含む、重イオン衝突における高精度測定の検出器能力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 14 TeVおよびHL-LHCの輝度条件下で、アップグレードされたCMS検出器がヒッグスボソンの結合定数、自己結合、およびループ誘導過程に対してどの程度の感度を示すか？
• RQ2 HL-LHCにおける輝度およびエネルギーの向上が、超対称性や奇妙な共鳴状態の発見探査範囲をどの程度向上させるか？
• RQ3 高いプイルアップ条件下でも、CMS検出器がトップクォークおよび電弱過程の高精度測定をどの程度実施できるか？
• RQ4 10～3000 fb⁻¹のデータ量で、ジャットクエンチィングおよび一部のエネルギー損失に関するどの重イオン物理学測定が可能になるか？
• RQ5 検出器アップグレードにより、反応面に依存する相関やレアプローブ（例：ψ(2S)）のような微分観測量の研究がどの程度可能になるか？

主な発見

• 3000 fb⁻¹の統合輝度を有するHL-LHCでは、希少過程の統計が10倍に増加し、ヒッグスボソンの結合定数および自己結合に関する精度が顕著に向上する。
• √s = 14 TeVへのエネルギー上昇により、7 TeVと比較して新物理学の質量探査範囲が2倍に拡大され、特にグルーオン融合支配の共鳴状態の発見可能性が著しく向上する。
• 14 TeVで300 fb⁻¹のデータを取得することで、CMSはヒッグスボソンのWおよびZボソンへの結合定数に対して1%未満の精度を達成でき、その標準模型的性質を明確に検証可能となる。
• アップグレードされたトリガーおよび再構成システムにより、反応面および中心性に依存する関数としてのジャットクエンチィングおよび一部のエネルギー損失の詳細な測定が可能になる。
• 高輝度重イオンプログラムにより、Z＋ジャットおよびγ＋ジャットイベントがそれぞれpT > 50 GeV/cで最大3000件、pT > 100 GeV/cで最大600件生成され、クォークおよびグルーオンジャットのクエンチィングの微分的分析が可能になる。
• CMS検出器は、QCD相転移を重イオン衝突で探査する上で不可欠な、クォーカー状態の抑制パターンおよび中心性依存性に関する高精度測定を達成すると予想される。