[論文レビュー] The Future of US Particle Physics -- The Snowmass 2021 Energy Frontier Report

M. Narain, Laura Reina+33 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2022

Interdisciplinary Research and Collaboration被引用数 11

ひとこと要約

Snowmass 2021 Energy Frontier Report は、米国素粒子物理学の戦略的ロードマップを提示し、標準模型を超える新しい物理を探索するための二段階戦略を提唱している。この戦略は、HL-LHCにおける高精度測定と、将来の数TeV級衝突型加速器（例えば ILC、FCC-ee、ミューオン衝突型加速器）の両方を組み合わせたものである。本報告書は、共同研究開発、国際的協力、理論および検出器技術分野における持続的投資の必要性を強調し、未踏の実験的精度を達成し、10 TeVスケール以上での物理の発見を目指す。

ABSTRACT

This report, as part of the 2021 Snowmass Process, summarizes the current status of collider physics at the Energy Frontier, the broad and exciting future prospects identified for the Energy Frontier, the challenges and needs of future experiments, and indicates high priority research areas.

研究の動機と目的

• 次世代加速器の開発を通じて、米国が高エネルギー素粒子物理学分野で長期間にわたりリーダーシップを発揮する長期的ビジョンを定義すること。
• エネルギー範囲と高精度測定を統合することで、標準模型を超える新しい物理の根本的問いに答えること。
• ヒッグスファクトリー、ミューオン加速器、複数TeV級 e+e− および pp 衝突型加速器を含む、将来の加速器プロジェクトにおける米国の研究開発への投資を誘導すること。
• 将来の加速器プロジェクトにおける国際的協力体制を強化すること。これには、立地選定と費用負担枠組みが含まれる。
• 理論的および計算的手法が、実験的進展に追いつくようにすること。特に、有効場理論（EFT）、モンテカルロシミュレーション、高精度計算の分野で。

提案手法

• 二段階戦略を提唱：HL-LHCおよび将来の加速器における高精度測定と、数TeVスケールでの直接探索。
• 技術的実現可能性、スケジュール、コスト見積もりに基づいて、複数の将来の加速器オプション（ILC、CLIC、FCC-ee、CEPC、CCC、ミューオン加速器、SppC）を評価。
• 詳細な研究開発および建設スケジュール（例：CCC は2024–2028年、3 TeV ミューオン加速器は2038–2045年）を用いて、段階的投資計画を支援。
• 有効場理論（EFT）、SMEFTグローバルフィット、およびQFTモデル構築の理論的進展を統合し、新しい物理の兆候に対する感度を向上。
• 将来の実験データの精度に見合ったモンテカルロシミュレーションと高次のQCD計算に依存。
• 将来の加速器計画を支援するため、検出器研究開発、シミュレーション、データ解析インfraストラクチャへの連携された研究開発投資を提言。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 TeVスケール以上での新しい物理を探索するための、将来の加速器オプションの中で最も現実的で実現可能なものは何か？
• RQ2 ヒッグス粒子およびトップクォークの性質に関する高精度測定は、標準模型を超える新しい物理の間接的証拠をどのように明らかにできるか？
• RQ3 立地選定および費用負担モデルを含めた、国際的な将来の加速器プロジェクトにおける米国の最適な参加ルートは何か？
• RQ4 理論的および計算的手法は、次世代加速器実験の精度要件にどのように対応できるか？
• RQ5 ヒッグスファクトリーおよびミューオン加速器は、エネルギー・フロントを拡張し、新しい物理のモデルを検証するために果たす役割は何か？

主な発見

• HL-LHCおよびそのアップグレードは、米国の物理学プログラムを維持し、ヒッグス粒子およびトップクォークの性質に関する高精度測定を可能にする上で不可欠である。
• 将来のe+e− 衝突型加速器（FCC-ee、ILC）は、2033年から2048年まで稼働すると予想され、建設はCEPCで2026年、ILCで2028年から開始される可能性がある。
• 3 TeVのミューオン加速器は2038年に建設を開始し、2045年まで稼働すると予想され、コスト見積もりは70億～120億ドル。
• 冷却銅コイル加速器（CCC）ヒッグスファクトリーの研究開発は2024年に開始され、2028年までに1億ドルの投資が推奨される。
• FCC-hh（陽子-陽子衝突型加速器）は2063年に建設を開始し、2074年まで稼働すると予想され、コストは300億～500億ドル。
• 将来の加速器のための米国内立地の推進が奨奨され、HE CLIC（3 TeV）は2042年、ミューオン加速器（10 TeV）は2040年から建設が提案されている。