[论文解读] Proton-proton and electron-positron collider in a 100 km ring at Fermilab

C.M. Bhat, P. C. Bhat+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文提出在费米实验室建设一个100公里的环形对撞机，可同时运行100 TeV质子-质子对撞和90–350 GeV电子-正电子对撞。pp对撞机可实现新重粒子的发现和希格斯玻色子的高精度研究，而e+e−对撞机则作为希格斯工厂，可实现至顶夸克阈值的高精度电弱测量。

ABSTRACT

The discovery of a Higgs-like boson with mass near 126 GeV, at the LHC, has reignited interest in future energy frontier colliders. We propose here a proton-proton (pp) collider in a 100 km ring, with center of mass (CM) energy of ~100 TeV which would have substantial discovery potential for new heavy particles and new physics beyond the Standard Model. In the case that LHC experiments have already found exotic resonances or heavy "partner" particles, this collider could fill out the "tower" of resonances (thus e.g. confirming an extra dimension) or the full suite of partner particles (e.g. for supersymmetry). The high luminosity of the new collider would enable unique precision studies of the Higgs boson (including Higgs self coupling and rare Higgs decays), and its higher energy would allow more complete measurements of vector boson scattering to help elucidate electroweak symmetry breaking. We also discuss an e+e- collider in the same 100 km ring with CM energies from 90 to 350 GeV. This collider would enable precision electroweak measurements up to the ttbar threshold, and serve as a Higgs factory.

研究动机与目标

• 提出在费米实验室建设下一代能级前沿对撞机，以探索标准模型之外的新物理。
• 实现对希格斯玻色子的高精度测量，包括自耦合和稀有衰变，继其在大型强子对撞机上的发现之后。
• 提供一个设施，可在发现新态时完整描绘共振态或超对称伙伴的谱系。
• 提供一个高亮度e+e−对撞机，用于高精度电弱物理和希格斯玻色子研究。
• 利用相同的100公里环形基础设施实现pp和e+e−两种模式，最大化成本效益和科学覆盖范围。

提出的方法

• 设计一个100公里周长的超导环形结构，优化用于质子-质子和电子-正电子对撞。
• 采用高场超导磁体，实现pp对撞中100 TeV质心系能量。
• 实施高亮度运行，以实现对希格斯玻色子稀有衰变和精确耦合的测量。
• 实现e+e−对撞，质心系能量范围为90 GeV至350 GeV，覆盖Z和W玻色子共振峰及顶夸克阈值。
• 利用费米实验室现有的基础设施和专业知识，支持在单一环形结构中实现双模式对撞。
• 应用束流动力学和晶格设计技术，确保两种模式下均保持稳定性和高亮度。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的100公里环形结构能否在足够性能下同时容纳100 TeV pp对撞机和高亮度e+e−对撞机？
• RQ2 在100 TeV pp对撞机中，对新重共振态或超对称伙伴的潜在发现能力如何？
• RQ3 该设施对希格斯玻色子自耦合和稀有衰变的测量精度能达到何种程度？
• RQ4 矢量玻色子散射过程的探测程度如何，以检验电弱对称性自发破缺机制？
• RQ5 e+e−模式能否作为高精度希格斯工厂，并实现在tt̄阈值附近的测量？

主要发现

• 所提出的100公里环形结构可支持100 TeV pp对撞机，对标准模型之外的新重粒子具有显著的发现潜力。
• 由于高亮度，该对撞机可实现对希格斯玻色子的高精度研究，包括其自耦合和稀有衰变。
• e+e−模式提供一个中心系能量为90 GeV至350 GeV的希格斯工厂，非常适合高精度电弱测量。
• 该设施可探测矢量玻色子散射过程，有助于阐明电弱对称性自发破缺机制。
• 若在大型强子对撞机上发现新态或超对称伙伴，该对撞机可完整补全其谱系。
• 在单一环形结构中实现双模式运行，为下一代能级前沿物理提供了成本效益高的路径。