[論文レビュー] The International Linear Collider. A Global Project

H. Aihara, Jonathan Bagger+60 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Distributed and Parallel Computing Systems被引用数 15

ひとこと要約

国際線形衝突器（ILC）は、成熟した超伝導RF（SCRF）技術を基盤とする250 GeVの電子・陽電子衝突器として計画されており、ヒッグスボソン結合の高精度な測定と標準模型を超えた新しい物理の探索を目的としている。偏光ビーム、低バックグラウンド、1 TeVまでのエネルギー拡張路線を備えることで、LHCとは補完的かつ直交的な手法を提供し、エネルギー・フ론틽の精密物理学を通じて、モデルに依存しない新しい物理の検証を可能にする。

ABSTRACT

A large, world-wide community of physicists is working to realise an exceptional physics program of energy-frontier, electron-positron collisions with the International Linear Collider (ILC). This program will begin with a central focus on high-precision and model-independent measurements of the Higgs boson couplings. This method of searching for new physics beyond the Standard Model is orthogonal to and complements the LHC physics program. The ILC at 250 GeV will also search for direct new physics in exotic Higgs decays and in pair-production of weakly interacting particles. Polarised electron and positron beams add unique opportunities to the physics reach. The ILC can be upgraded to higher energy, enabling precision studies of the top quark and measurement of the top Yukawa coupling and the Higgs self-coupling. The key accelerator technology, superconducting radio-frequency cavities, has matured. Optimised collider and detector designs, and associated physics analyses, were presented in the ILC Technical Design Report, signed by 2400 scientists. There is a strong interest in Japan to host this international effort. A detailed review of the many aspects of the project is nearing a conclusion in Japan. Now the Japanese government is preparing for a decision on the next phase of international negotiations, that could lead to a project start within a few years. The potential timeline of the ILC project includes an initial phase of about 4 years to obtain international agreements, complete engineering design and prepare construction, and form the requisite international collaboration, followed by a construction phase of 9 years.

研究の動機と目的

• ヒッグスボソン結合の詳細な測定を通じて、標準模型の高精度でモデルに依存しない検証プログラムを確立すること。
• 特異なヒッグス崩壊や弱い相互作用を示す粒子の対生成を介して、新しい物理を探索すること。
• 偏光した電子および陽電子ビームを活用し、標準模型を超えた新しい物理への感度を高めること。
• スケーラブルでエネルギーを向上可能な衝突器を提供し、数十年にわたり発見の可能性を維持すること。
• 次世代素粒子物理学施設のための国際的協働体制とインfrastrutureを前進させること。

提案手法

• 1.3 GHzの超伝導RF（SCRF）キャビティを用いた線形e+e−衝突器の設計を採用し、高い光度とエネルギー安定性を実現する。
• 初期段階では250 GeVの中心系エネルギーで運用し、設計光度は1.35 × 10^34 cm⁻²s⁻¹であり、4年間で400 fb⁻¹、10年以上で2 ab⁻¹のデータ取得が可能となる。
• アンデュレータを用いた光源により、電子ビームの80%、陽電子ビームの30%の偏光度を実現し、新しい物理への感度を向上させる。
• 精度測定と高エネルギー物理学に最適化された2つの補完的検出器設計（ILDとSiD）を採用する。
• ILC技術設計報告書（TDR）を基盤とし、48カ国・392機関にわたり2400名の科学者が参加した検証を経ている。
• 4年間の国際的合意および工学設計フェーズの後、9年間の建設フェーズを予定しており、数年以内にプロジェクトの開始が見込まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCは、標準模型の検証とずれの検出を可能にするために、ヒッグスボソン結合の測定において必要な精度に到達できるか？
• RQ2 偏光ビームは、標準模型を超えた新しい物理への感度をどの程度高め得るか？
• RQ3 250 GeVのILCの建設の実現可能性とコストは何か？また、1 TeVへのスケーラビリティは？
• RQ4 250 GeVでの精度測定は、より高いエネルギーでの測定と比較して、新しい物理への感度においてどの程度優れているか？
• RQ5 ILCプロジェクトの世界的な科学的・技術的準備状況はいかがであり、検出器および加速器のR&Dはどの程度進んでいるか？

主な発見

• ILC250プロジェクトの推定コストは515.2億〜583.0億JPYの間であり、85%信頼水準の不確実性をカバーするため25%のコストプレミアムが設定されている。
• ILC250の設計では1.35 × 10^34 cm⁻²s⁻¹の光度を達成しており、4年間で400 fb⁻¹、10年以上で2 ab⁻¹のデータ取得が可能である。
• プロジェクトは成熟したSCRF技術に基づいており、ヨーロッパXFELがコア技術の1/10スケールの実運用実証として機能している。
• 精度測定と偏光ビームのおかげで、ILC250は初期段階の250 GeVエネルギーでも、標準模型を超えた新しい物理への顕著な感度を有している。
• 2400名の署名者が48カ国・392機関にわたり、ILC TDRおよび関連報告書に記載された通り、国際科学界がこのプロジェクトを支持している。
• 日本はILCの誘致に関する意思決定を準備中であり、国際的交渉が進み、数年以内にプロジェクトの開始が見込まれる。