[论文解读] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol 3 (2017): Physics at the FCC-hh, a 100 TeV pp collider

Michelangelo L. Mangano|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 51

一句话总结

本文介绍了在CERN proposed 的100 TeV质子-质子对撞机（FCC-hh）的物理潜力，该对撞机被设想为下一代设施，用于探索标准模型之外的新物理。它评估了新粒子的发现能力以及精确测量能力，表明FCC-hh能够以高灵敏度探测到数TeV量级的新物理，显著扩展大型强子对撞机（LHC）的探测范围。

ABSTRACT

A 100 TeV pp collider is under consideration, by the high-energy physics community, as an important step for the future development of our field, following the completion of the LHC and High-luminosity LHC physics programmes. In particular, CERN is considering 100 TeV pp collisions as the key target of a Future Circular Collider facility, built around a 100 km tunnel and designed to deliver pp, e+e- and ep collisions, in addition to a programme with heavy ion beams and with the injector complex. CERN is coordinating an international study tasked with the completion, by the end of 2018, of a Conceptual Design Report (CDR) for this facility. This document presents the first results of the assessment of the physics potential of the hadronic part of this research programme (FCC-hh).

研究动机与目标

• 评估100 TeV质子-质子对撞机（FCC-hh）作为LHC之后的下一代设施的物理探测能力。
• 评估在高能强子对撞中发现新物理（包括重共振态和新相互作用）的潜力。
• 通过分析强子物理计划，为未来环形对撞机（FCC）的概念设计报告（CDR）奠定基础。
• 探索FCC-hh对新物理场景（如新共振态、电弱对称性自发破缺以及味物理）的探测灵敏度。

提出的方法

• 该研究使用理论和现象学模拟，对质心系能量为100 TeV的质子-质子对撞进行建模。
• 采用标准模型预测和有效场论框架，评估对标准模型之外新物理的探测灵敏度。
• 对关键物理过程（如顶夸克对产生和矢量玻色子散射）进行信号与背景模拟。
• 评估亮度需求和探测器性能，以确定FCC-hh实现精确测量的可行性。
• 该研究利用现有的LHC数据，并外推至FCC-hh条件，以估算发现潜力。
• 考虑高瞬时亮度和总亮度对稀有过程和新共振态探测灵敏度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 FCC-hh在标准模型之外探测新重共振态的发现潜力如何？
• RQ2 100 TeV的高质心系能量相比LHC如何提升对新物理的探测灵敏度？
• RQ3 哪些关键物理过程最能从FCC-hh的更高能量和更高亮度中受益？
• RQ4 FCC-hh在精确测量电弱参数和顶夸克性质方面的能力可达到何种程度？
• RQ5 与LHC相比，预期的信号率和背景率有何差异，这对发现能力有何影响？

主要发现

• FCC-hh有潜力探测到高达数TeV量级的新物理，显著扩展LHC的探测范围。
• FCC-hh的高亮度使对顶夸克性质和稀有过程（如顶夸克对产生和矢量玻色子散射）的精确测量成为可能。
• 该设施对新共振态具有高灵敏度，包括衰变为喷注、轻子和缺失能量末态的共振态。
• 研究表明，FCC-hh能以高显著性探测新物理场景，如复合希格斯模型和具有扩展希格斯结构的模型。
• 新物理的预期发现能力显著优于LHC，尤其在重共振态和高质质量二体玻色子末态方面。
• 分析表明，FCC-hh可在电弱参数方面提供具有竞争力的精确测量，从而更严格地约束新物理贡献。