[论文解读] Higgs physics at the Future Circular Collider

D. d’Enterria|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

该论文提出，CERN的未来环形对撞机（FCC）将通过在125–350 GeV和100 TeV能量下分别进行高亮度 $\rm e^{+}e^{-}$ 和 $\rm pp$ 碰撞，实现对希格斯玻色子性质前所未有的精确测量。研究表明，FCC能够以亚百分之一的精度测量希格斯玻色子对轻费米子的Yukawa耦合、自耦合以及尺度 $\gtrsim$ 6 TeV的新物理，其精度超越了大型强子对撞机（LHC）的探测能力。

ABSTRACT

The unique Higgs physics opportunities accessible at the CERN Future Circular Collider (FCC) in electron-positron ($\sqrt{s}$ = 125, 240, 350 GeV) and proton-proton ($\sqrt{s}$ = 100 TeV) collisions, are succinctly summarized. Thanks to the large c.m. energies and enormous luminosities (plus clean experimental conditions in the $e^+e^-$ case), many open fundamental aspects of the Higgs sector of the Standard Model (SM) can be experimentally studied: (i) Measurement of the Higgs Yukawa couplings to the lightest fermions: u,d,s quarks (via rare exclusive $H o(ρ,ω,ϕ)+γ$ decays); and e$^\pm$ (via resonant s-channel $e^+e^- o H$ production); as well as neutrinos (within low-scale seesaw mass generation scenarios); (ii) Measurement of the Higgs potential (triple $λ_3$, and quartic $λ_4$ self-couplings), via double and triple Higgs boson production in pp collisions at 100 TeV; (iii) Searches for new physics coupled to the scalar SM sector at scales $Λ>$ 6 TeV, thanks to measurements of the Higgs boson couplings with subpercent uncertainties in $e^+e^- o H\,Z$; and (iv) Searches for dark matter in Higgs-portal interactions, via high-precision measurements of on-shell and off-shell Higgs boson invisible decays. All these measurements are beyond the reach of pp collisions at the Large Hadron Collider. New higher-energy $e^+e^-$ and pp colliders such as FCC are thus required to complete our understanding of the full set of SM Higgs parameters, as well as to search for new scalar-coupled physics in the multi-TeV regime.

研究动机与目标

• 为解决标准模型中尚未解决的根本性问题，如费米子质量的起源、希格斯自耦合以及暗物质的本质。
• 通过测量轻费米子（u, d, s, e, ν）的未知Yukawa耦合和希格斯自耦合，完善标准模型希格斯系统的实验描述。
• 通过精确测量希格斯耦合和隐形衰变，探测尺度 $\gtrsim$ 6 TeV的新物理。
• 为希格斯系统提供超越LHC的全面实验计划，包括稀有衰变和非共振态希格斯衰变。
• 确立FCC作为“希格斯工厂”的地位，其对希格斯性质的测量精度将比LHC提高50倍。

提出的方法

• 利用 $\rm e^{+}e^{-}$ 碰撞在 $\sqrt{s} = 125$、240 和 350 GeV 能量下，通过希格斯辐射过程（$\rm e^{+}e^{-} \to HZ$）和在希格斯玻色子共振峰处的s通道共振产生来产生希格斯玻色子。
• 测量稀有单态衰变 $\rm H \to \rho,\omega,\phi + \gamma$，以探测对轻夸克（u, d, s）的Yukawa耦合，分支比约为 $10^{-5}$–$10^{-6}$。
• 通过在 $\sqrt{s} \approx 125$ GeV 处的共振 $s$-通道 $\rm e^{+}e^{-} \to H$ 产生，直接测量电子Yukawa耦合。
• 在 $\rm e^{+}e^{-}$ 碰撞中通过 $\rm H \to Z + \text{inv}$ 精确测量希格斯玻色子的隐形宽度，以探测希格斯-门户型暗物质。
• 在 $\sqrt{s} = 100$ TeV 的 $\rm pp $ 碰撞中研究双希格斯和三希格斯产生过程，以提取三重（$\lambda_3$）和四重（$\lambda_4$）自耦合。
• 采用包含六维算符的有效场论（EFT）方法，解释耦合测量结果，并对新物理尺度 $\Lambda \gtrsim$ 6 TeV 设置约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以亚百分之一的精度测量希格斯玻色子对最轻夸克（u, d, s）和带电轻子（e）的Yukawa耦合？
• RQ2 FCC通过双希格斯和三希格斯产生过程对希格斯自耦合（$\lambda_3$, $\lambda_4$）的探测灵敏度如何？
• RQ3 通过 $\rm e^{+}e^{-}$ 碰撞中对希格斯耦合的精确测量，新物理可被探测到的尺度 $\Lambda$ 是多少？
• RQ4 能否以 0.5% 的不确定度测量希格斯玻色子的隐形分支比，以探测希格斯-门户型暗物质？
• RQ5 FCC在探测稀有希格斯衰变和新物理方面，其能力如何超越LHC和HL-LHC？

主要发现

• FCC-ee 可在最高达 80 ab$^{-1}$ 的积分 luminosity 下产生最多 $2 \cdot 10^6$ 个希格斯玻色子，从而实现对希格斯耦合的亚百分之一精度测量。
• 在 $\rm e^{+}e^{-}$ 模式下，可通过在 $\sqrt{s} \approx$ 125 GeV 处的共振 $s$-通道 $\rm e^{+}e^{-} \to H$ 产生，直接测量电子Yukawa耦合。
• 预期 $\rm H \to \rho(\pi\pi)\gamma$ 的单态衰变可产生约 40 个事例且背景较低，从而对 u/d 夸克Yukawa耦合具有探测灵敏度。
• 在FCC-ee中，希格斯玻色子的隐形分支比可实现 5$\sigma$ 显著性，最低可探测至 BR = 1.7%，并在 95% 置信水平下设定 0.5% 的上限。
• FCC-hh 在 $\sqrt{s} = 100$ TeV 下可产生 $2 \cdot 10^{10}$ 个希格斯玻色子，从而实现对 $g_{\rm t\bar{t}}$、$g_{\mu\mu}$ 和 $g_{\rm Z\gamma}$ 耦合在 1% 精度水平的精确测量。
• FCC-ee 中对希格斯耦合的精确测量可探测到新物理尺度 $\Lambda \gtrsim$ 6 TeV，有效场论分析表明，从 $\delta g_{ZZ}/g_{ZZ} \approx$ 0.15% 可推得 $\Lambda \gtrsim$ 5.8 TeV。