[论文解读] Future strategies for the discovery and the precise measurement of the Higgs self coupling

A. Blondel, P. Janot|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 39

一句话总结

该论文评估了轻子对撞机在测量希格斯自耦合及其相关性质方面的物理潜力，结论指出，FCC-ee 在 240、350 和 365 GeV 能够实现对希格斯总宽度的 1.3% 超高精度测量，并且无需进行 500 GeV 升级即可实现对三线希格斯自耦合的模型无关 $5\sigma$ 发现。FCC-ee 与 FCC-hh 的结合提供了唯一现实可行的路径，实现对希格斯自耦合的几近百分之一精度测量，其效率和物理覆盖范围优于 ILC500。

ABSTRACT

The European Strategy for Particle Physics (ESSP) submitted in 2013 a deliberation document to the CERN council explaining that a lepton collider with "energies of 500\,GeV or higher could explore the Higgs properties further, for example the [Yukawa] coupling to the top quark, the [trilinear] self-coupling and the total width.". In view of the forthcoming ESPP update in 2020, variations on this qualitative theme have been applied, inaccurately, to the case of the ILC, to argue that an upgrade to 500\,GeV would allow the measurement of the Higgs potential and would increase the potential for new particle searches. As a consequence, the strategic question was raised again whether the FCC-ee design study ought to consider a 500 GeV energy upgrade. In this note, we revisit the ESSP 2013 statement quantitatively and find [...] that 500 GeV is not a particularly useful energy for the lepton colliders under consideration, especially for the FCC-ee. A 5 sigma demonstration of the existence of the Higgs self-coupling is within reach at the energies foreseen for the FCC-ee, with a moderate change of configuration, which certainly deserves consideration.

研究动机与目标

• 评估是否需要对轻子对撞机进行 500 GeV 能量升级，以实现对希格斯自耦合的高显著性测量。
• 比较 FCC-ee 和 ILC500 在测量希格斯总宽度、顶夸克 Yukawa 耦合以及三线希格斯自耦合方面的物理覆盖范围。
• 评估 FCC-ee 是否可在不进行 500 GeV 能量升级的情况下，实现对三线希格斯自耦合的模型无关 $5\sigma$ 观测。
• 确定 FCC-ee 与 FCC-hh 的结合是否为实现对希格斯自耦合的几近百分之一精度测量的唯一可行路径。
• 评估 FCC-ee 通过电弱精密测量对新物理（包括暗物质和重中微子）的敏感度。

提出的方法

• 对 FCC-ee 在 $\sqrt{s} = 240$、350 和 365 GeV 下预期的希格斯产生截面和分支比的统计不确定性进行定量比较。
• 使用 $\kappa$ 框架和 SMEFT 维度六算符框架拟合希格斯耦合和总宽度，包括有无模型依赖性的情况。
• 基于对亮度和质心系能量的假设，比较 FCC-ee、ILC500 和 HL-LHC 对三线希格斯自耦合的预期灵敏度。
• 评估将 FCC-ee 实验数量从两个增加到四个的影响，此举可使亮度交付量翻倍，并显著加快对三线耦合的 $5\sigma$ 发现。
• 评估 FCC-ee 的电弱精密测量能力，包括对新物理尺度高达 70 TeV 和耦合强度低至弱耦合 $10^{-11}$ 的敏感度。
• 分析 FCC-ee 与 FCC-hh 联合物理覆盖范围，用于高精度希格斯自耦合测量，包括必须依赖强子对撞机数据才能实现亚百分之一精度的必要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 FCC-ee 是否可在不进行 500 GeV 能量升级的情况下实现对三线希格斯自耦合的 $5\sigma$ 发现？
• RQ2 在不运行 500 GeV 的情况下，FCC-ee 能够实现对希格斯总宽度测量的精度是多少？
• RQ3 在 15 年运行后，FCC-ee 对三线希格斯自耦合的灵敏度与 ILC500 相比如何？
• RQ4 FCC-ee 与 FCC-hh 的结合是否能够实现对三线希格斯自耦合的几近百分之一精度测量？这是否可通过低能轻子对撞机实现？
• RQ5 FCC-ee 是否需要 500 GeV 升级才能发现希格斯自耦合，还是该目标已被 FCC-hh 计划所取代？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 240$、350 和 365 GeV 下，FCC-ee 可实现对希格斯总宽度 1.3% 的测量精度，且无需进行 500 GeV 能量升级。
• HL-LHC 可在 $\pm2.5\%$ 水平上确定顶夸克 Yukawa 耦合，当与 FCC-ee 测量结果结合时，该结果可实现模型无关，且无需 500 GeV $e^+e^-$ 碰撞。
• 通过精确测量单个希格斯粒子产生截面，FCC-ee 在 15 年内可实现对三线希格斯自耦合的 $3\sigma$ 敏感度，其性能与 ILC500 在 30 年运行后的灵敏度相当。
• 若将实验数量从两个增加到四个，FCC-ee 可实现首个模型无关的 $5\sigma$ 三线希格斯自耦合演示，其速度远超 ILC500。
• 对三线希格斯自耦合实现几近百分之一精度的测量，仅通过 FCC-ee 与 FCC-hh 的结合才真正可行；轻子对撞机在最高 3 TeV 能量下，无法在合理时间或亮度内实现此精度。
• FCC-ee 的 Z 厂房运行（$5 \times 10^{12}$ 个 Z 粒子衰变）可探测弱耦合强度低至 $10^{-11}$ 的新物理耦合，从而实现对暗物质或重中微子的发现。