[论文解读] Further searches of the Higgs scalar sector at the ESS

Carlo Rubbia|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 8

一句话总结

本文提出利用欧洲散裂中子源（ESS）作为平台，通过缪子对撞机探索希格斯标量场，利用希格斯粒子与费米子质量的耦合增强缪子对的产生。论文概述了通过初始冷却实验（ICE）实现缪子冷却的技术路径，使未来在背景更少、灵敏度更高的条件下开展高精度希格斯物理研究成为可能，相较强子对撞机（如HL-LHC）具有优势。

ABSTRACT

Recent decades have witnessed remarkable confirmations of the Standard Model (SM) describing the Electro-Weak and Strong Interactions. The Higgs boson was observed at CERN-LHC at 7-8 TeV and 13 TeV. The HL-LHC, a major luminosity upgrade has been recently approved. The HL-LHC may be already an early "Higgs factory", however only capable to perform Ho related measurements with rather large uncertainties because of persisting backgrounds and uncertainties. New projects using leptons rather than hadrons should be investigated Ho has a spin zero and its coupling is proportional to the square of the lepton mass, greatly enhancing the production from pairs of muons. A mu+mu- Collider may operate at a much higher magnetic field respect to the e+e- Collider and it has a smaller radius, easily fitting within one existing European site. However muons are unstable particles: they must be produced in sufficient amounts from pions of a proton beam, cooled and quickly accelerated to the required energies. The scenario is here primarily concentrated to further developments of the European Spallation Source (ESS) under construction in the Lund site as the most intense future source of spallation neutrons. As a initial part of the program, muon cooling should be experimentally demonstrated with the much cheaper and simpler Initial Cooling Experiment.

研究动机与目标

• 通过欧洲散裂中子源（ESS）的缪子对撞机探索标准模型之外的希格斯标量场。
• 通过用轻子对撞机替代强子对撞机，减少希格斯玻色子测量中的实验不确定性。
• 通过初始冷却实验（ICE）证明缪子冷却，作为未来在ESS建设高亮度缪子对撞机的关键步骤。
• 利用希格斯玻色子与重费米子（特别是缪子）之间增强的耦合，提高产生截面。
• 在现有欧洲科研场地内建立一条可行的、集成化的未来希格斯工厂建设路径。

提出的方法

• 利用ESS作为高强度质子束源，产生π介子，其衰变生成用于对撞机的缪子。
• 采用分阶段方法：首先在缩小规模下通过初始冷却实验（ICE）实现缪子冷却。
• 应用离子化冷却技术，减小缪子束的发射度，实现高亮度运行。
• 设计可在高磁场和紧凑半径下运行的缪子对撞机，利用ESS场地的基础设施。
• 利用希格斯玻色子自旋为0的特性及其与缪子质量成正比的耦合，提升μ⁺μ⁻对撞中的产生率。
• 将缪子对撞机整合进ESS设施，以最小化成本并最大化与中子科学的协同效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 ESS能否作为未来专用于高精度希格斯玻色子研究的缪子对撞机平台？
• RQ2 初始冷却实验（ICE）在多大程度上能实验性地证明缪子冷却，以验证全尺寸对撞机的技术可行性？
• RQ3 考虑到耦合与mμ²成正比，μ⁺μ⁻对撞中的希格斯玻色子产生率与e⁺e⁻或pp对撞相比如何？
• RQ4 与HL-LHC相比，缪子对撞机中希格斯测量的预期本底和系统不确定性为何？
• RQ5 能否在单一现有欧洲场地（如隆德）内，利用ESS基础设施建设高亮度缪子对撞机？

主要发现

• ESS提供了独特的高强度质子束源，可通过π介子衰变实现高亮度缪子产生。
• 缪子冷却可在初始冷却实验（ICE）中实验性地证明，为关键技术原理提供关键验证。
• 由于mμ²的依赖关系，希格斯玻色子与缪子的耦合显著增强，使μ⁺μ⁻对撞中的产生截面远高于e⁺e⁻对撞。
• 与HL-LHC相比，ESS上的缪子对撞机可在希格斯耦合测量中实现更高精度，因本底更少、末态更清晰。
• 缪子对撞机的紧凑设计与高磁场能力使其占地面积远小于同类e⁺e⁻对撞机，可完全容纳于现有ESS场地内。
• 将缪子对撞机与ESS集成，可实现基础设施共享与成本分摊，显著提升整体项目可行性。