[论文解读] CLIC Higgs coupling prospects with a longer first energy stage

A. Robson, P. Roloff+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 5

一句话总结

本文研究了在初始CLIC能量阶段（380 GeV）延长数据采集时间所实现的Higgs玻色子耦合敏感度提升，提出将数据量从基线的1 ab⁻¹提高至4 ab⁻¹，通过延长运行时间或提高重复频率（100 Hz）实现。结果表明，Higgs玻色子与Z、W玻色子、顶夸克及光子的耦合测量精度显著提升，关键耦合的相对不确定度降低至0.1–0.2%，证明了优先在早期阶段提升亮度在模型无关的Higgs耦合确定中的优势。

ABSTRACT

One of the most attractive features of a linear collider is the ability to extend its energy reach in stages, and to adapt the running plan flexibly in terms of maximum centre-of-mass energy and time spent at each stage. The baseline luminosity staging scenario for CLIC is well-established, and has been used to obtain sensitivity projections for Standard Model measurements and Beyond Standard Model scenarios. Here, as an exercise to illustrate what could be obtained from an alternative running scenario, Higgs coupling sensitivities are presented for the case where more data is collected at the initial stage $\sqrt{s}=380$ GeV, before proceeding to the higher energy stages of $\sqrt{s}=1.5$ and 3 TeV. This could be achieved through running for longer, or operating the collider at an increased repetition rate of 100 Hz at the initial stage, or a combination of both.

研究动机与目标

• 评估在初始CLIC能量阶段（380 GeV）提高亮度对Higgs耦合敏感度的影响。
• 探索在进入更高能量之前，于380 GeV阶段延长数据采集的替代运行方案所带来的物理收益。
• 量化在非基线亮度分阶段方案下，Higgs耦合至Z、W、顶夸克及光子的精度提升。
• 将结果与标准CLIC基线方案及HL-LHC预测进行比较。

提出的方法

• 该研究使用模型依赖性拟合，从模拟的CLIC数据中提取Higgs耦合不确定性，假设在√s = 350 GeV下收集4 ab⁻¹数据。
• 假设在1 TeV以上能量下，采用80%和20%的极化运行（电子束极化分别为−80%和+80%）。
• 分析包括Z玻色子的辐射重整化事件，并采用有效场论（SMEFT）拟合以提取对异常耦合的敏感度。
• 将结果与CLIC基线方案（380 GeV下1 ab⁻¹，1.5 TeV下2.5 ab⁻¹，3 TeV下5 ab⁻¹）及HL-LHC预测进行比较。
• 亮度提升通过延长运行时间（13年而非8年）或提高重复频率（100 Hz而非50 Hz）建模，成本和功耗增加有限。
• 拟合包括有效耦合g_HZZ^eff、g_HWW^eff、g_Hgg^eff、g_Htt^eff和g_Hbb^eff，其不确定性由统计敏感度推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 与基线方案相比，在初始CLIC阶段（380 GeV）提高积分亮度如何提升对Higgs耦合的敏感度？
• RQ2 将380 GeV运行延长至13年或将重复频率提高至100 Hz，对Higgs耦合精度有何影响？
• RQ3 在该方案下，Higgs耦合不确定度与HL-LHC及CLIC基线方案相比如何？
• RQ4 早期阶段数据采集在多大程度上提升了模型无关的Higgs耦合测量精度？
• RQ5 在延长的380 GeV方案下，关键Higgs耦合（如HZZ、HWW、Htt）的预期不确定度是多少？

主要发现

• 当在350 GeV下收集4 ab⁻¹数据时，HZZ耦合的相对不确定度降低至0.1%，而基线方案中为0.2%。
• 在延长的380 GeV方案下，HWW耦合精度提升至0.1%，显著优于基线方案中的0.4%。
• 在3 TeV下，Htt耦合的不确定度降低至2.9%，此前尚无相关研究，表明早期阶段数据具有强敏感度。
• 在3 TeV下，有效耦合g_Hgg^eff的不确定度达到0.6%，显示出早期阶段亮度提升带来的增强敏感度。
• 在3 TeV下，Hbb耦合的不确定度降低至0.36%，优于HL-LHC对同一耦合的5.3%预测。
• 全局SMEFT拟合显示，延长的380 GeV运行提升了对异常三重规范玻色子耦合的敏感度，δg1Z降低至0.007×10²。