[論文レビュー] Standard Model Physics at the HL-LHC and HE-LHC

P. Azzi, S. Farry+221 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 507被引用数 55

ひとこと要約

本稿は、ハイ・リタリティ・LHC（HL-LHC）およびハイ・エネルギー・LHC（HE-LHC）における標準模型の物理学について包括的な評価を提示し、精度測定、希少過程、QCDダイナミクスに焦点を当てる。ヒッグス粒子の性質、トップクォークの結合、電弱対称性の spontaneously broken および共鳴状態の中心的排他的生成を調査する理論的・実験的手法を詳述し、さらなる光度および中心系エネルギーの上昇に伴う感度向上と新粒子発見の可能性に関する重要な予測を提示する。

ABSTRACT

The successful operation of the Large Hadron Collider (LHC) and the excellent performance of the ATLAS, CMS, LHCb and ALICE detectors in Run-1 and Run-2 with $pp$ collisions at center-of-mass energies of 7, 8 and 13 TeV as well as the giant leap in precision calculations and modeling of fundamental interactions at hadron colliders have allowed an extraordinary breadth of physics studies including precision measurements of a variety physics processes. The LHC results have so far confirmed the validity of the Standard Model of particle physics up to unprecedented energy scales and with great precision in the sectors of strong and electroweak interactions as well as flavour physics, for instance in top quark physics. The upgrade of the LHC to a High Luminosity phase (HL-LHC) at 14 TeV center-of-mass energy with 3 ab$^{-1}$ of integrated luminosity will probe the Standard Model with even greater precision and will extend the sensitivity to possible anomalies in the Standard Model, thanks to a ten-fold larger data set, upgraded detectors and expected improvements in the theoretical understanding. This document summarises the physics reach of the HL-LHC in the realm of strong and electroweak interactions and top quark physics, and provides a glimpse of the potential of a possible further upgrade of the LHC to a 27 TeV $pp$ collider, the High-Energy LHC (HE-LHC), assumed to accumulate an integrated luminosity of 15 ab$^{-1}$.

研究の動機と目的

• HL-LHCおよびHE-LHCが標準模型の精密テストに与える感度を評価すること。
• ヒッグス粒子の結合、電弱対称性の spontaneously broken、およびトップクォークの性質を調べるための主要な物理チャンネルを特定すること。
• グルーゲイの研究、メソンスペクトルスコピーやポメロン構造を調べるための中心的排他的生成（CEP）の可能性を評価すること。
• 将来のLHCランにおけるQCDおよび電弱物理学分野における理論的・実験的進展のロードマップを提供すること。
• 主要な標準模型測定において1%未満の精度を達成するための検出器および解析手法の開発を支援すること。

提案手法

• SM過程の精度予測に、次-leading-order（NLO）および次々-leading-order（NNLO）QCD計算を用いる。
• ヒッグスおよびトップクォークの結合のずれを解釈するための有効場理論（EFT）フレームワークを適用する。
• メソンおよびクォーオニウムの中心的排他的生成（CEP）をシミュレートするために、SUPERCHICおよびMadGraphなどのイベントジェネレータを用いる。
• ππ、KK、およびp¯p最終状態に対して部分波解析（PWA）を実施し、共鳴状態のスピン・パリティ量子数を抽出する。
• ALICE、ATLAS、CMSなどの検出器シミュレーションおよび性能評価を用いて、高光度条件下でのCEP測定の可能性を評価する。
• 非摂動的QCD効果をCEPにモデル化するため、吸収補正および急速度ギャップ生存確率を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCにおけるヒッグス粒子結合および異常な三重ゲージボソン結合への期待される感度は何か？
• RQ2 低質量メソンの中心的排他的生成は、ポメロン構造およびグルーゲイ候補をどのように制約するか？
• RQ3 HL-LHCにおけるχc0、χc1、およびχc2状態の期待される生成断面積は何か？また、それらはQCD束縛状態モデルの検証にどのように寄与するか？
• RQ4 HE-LHCにおけるトップクォーク性質の精密測定は、標準模型を超える新しい物理学をどれほど探査できるか？
• RQ5 CEPにおける支配的非摂動的QCD効果は何か？そして、それらはデータ解析においてどのようにモデル化され、補正されるべきか？

主な発見

• HL-LHCでは、ヒッグス粒子の信号強度測定において1%未満の精度が達成されると予想され、ヤクーバ結合および異常結合の感受性の高いテストが可能になる。
• ALICEは、Run-3終了時点で50,000件を超えるχc0 → π+π−崩壊を収集することが予想され、 charmonium 状態の精密スペクトルスコピーむけいが可能になる。
• 過剰な軽いスカラー中間子（例：f0(1370)、f0(1500)、f0(1710)）の証拠は、顕著なグルーオン成分を示しており、グルーゲイとメソンの混合状態としての可能性を支持する。
• CEPにおけるππおよびKK系の部分波解析から、0++および2++グルーゲイ状態と整合する量子数を持つ複数の共鳴状態が特定された。
• テンソル的ポメロンの理論的モデルは、特徴的な偏光および急速度分布を予測しており、高統計的CEPデータで検証可能である。
• 高光度におけるCEP測定により、ポメロン-メソン結合定数およびフォーム因子の制約が可能となり、非摂動的QCDと摂動的QCDの領域をつなぐ可能性が示された。