[论文解读] The Physics potential of the CEPC. Prepared for the US Snowmass Community Planning Exercise (Snowmass 2021)

H. J. Cheng, Wen-Ta Chiu+21 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 20

一句话总结

本文在新的名义运行方案下更新了 CEPC 的希格斯/电弱/拓扑物理潜力，概述未来高能升级下的精度预测、升级路径和检测器研发，以实现希格斯/Z 工厂。

ABSTRACT

The Circular Electron Positron Collider (CEPC) is a large-scale collider facility that can serve as a factory of the Higgs, Z, and W bosons and is upgradable to run at the ttbar threshold. This document describes the latest CEPC nominal operation scenario and particle yields and updates the corresponding physics potential. A new detector concept is also briefly described. This submission is for consideration by the Snowmass process.

研究动机与目标

• 量化在更新的名义运行方案下 CEPC 的希格斯、电弱 (EW) 与拓扑物理潜力。
• 评估在不同 CEPC 运行模式（Z factory、Higgs factory、WW 阈值和 t t̄ 阈值）下对希格斯耦合、希格斯宽度和罕见衰变的精度范围。
• 评估 SMEFT/Higgs EFT 框架在解释 CEPC 测量及其与 HL-LHC 的协同中的影响。
• 概述味道、QCD 与超标准模型 (BSM) 的机会，包括异域衰变、暗物质和长寿命粒子，以及探测器需求与 R&D 需求。

提出的方法

• 回顾更新的 CEPC 运行场景与产量（Z、WW 阈值、Higgs、t t̄ 升级）。
• 运用 κ 框架和 SMEFT 框架对综合和独立的希格斯截面、衰变分支比和总宽度进行预测。
• 将 CEPC 的预测与 HL-LHC 基准进行比较，以展示精度提升。
• 通过从 Z 极点和 WW 阈值运行投影 Z 与 W 粒子观测量，估算 EW 精度影响。
• 结合探测器性能假设与基于 ML 的分析，细化希格斯测量与 CP 违反敏感性。
• 总结探测器 R&D 需求以及支撑物理计划的 MDI/真空/加速器技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 在更新的 240 GeV 和 360 GeV 运行情景下，CEPC 能达到的希格斯耦合与希格斯宽度的精度是多少？
• RQ2 相较于 HL-LHC，CEPC 的希格斯和 EW 测量如何对 SMEFT 条件和异常三重规约耦合产生约束？
• RQ3 CEPC 在希格斯耦合中的 CP 违反测试及异域衰变与暗域信号的搜索能达到什么水平？
• RQ4 CEPC 预计在 W/Z 性质和拓扑顶端的顶夸克参数方面实现哪些电弱精度改进，尤其来自 Z 极点和 WW 阈值运行？
• RQ5 实现预测物理收益所需的关键探测器需求与 R&D 需求是什么？

主要发现

• CEPC 可在升级后实现约 400 万希格斯产生物和近 4 万亿 Z 产生物，以及超过 4 千万 W 对和最多 ~1 百万顶夸克。
• 在 240 GeV 运行（20 ab−1）的情况下，综合希格斯截面精度可提升至约 0.26%，并且当结合 240 GeV 与 360 GeV 运行时，希格斯宽度可被确定到大约 1.1%。
• 在 SMEFT/kappa 框架下，许多耦合的精度达到 10−2 到 10−3 的水平；hZZ 及相关算子因 EW 计划而得到特别良好的约束，使对新物理的间接敏感性更强。
• 360 GeV 运行显著提升对希格斯-WW 耦合与 SMEFT 算子的敏感性，原因在于互补的产生通道和对信号模式的分离改进。
• CEPC 提供前所未有的 EW 精度计划（Z 极点与 WW 阈值）在 mZ、ΓZ、mW、ΓW、sin^2 θWeff 以及 Alicoupled observables 的投影不确定度上，比当前测量领先约一个数量级；束能标定是一个主导的系统误差，但可以改进。
• 该文概述了广泛的 BSM 探索机会（异域希格斯衰变、SUSY-EW、暗物质/暗区、长寿命粒子），并给出近探测器与远探测器策略，以及探测器 R&D 需求。