[论文解读] Physics at a 100 TeV pp collider: beyond the Standard Model phenomena

T. Golling, M. Hance+112 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 39

一句话总结

本文研究了质子-质子对撞机在100 TeV能量下探测标准模型之外物理学的潜力，重点关注新粒子和新现象（如超对称、额外维度和复合希格斯模型）的高能信号。结果表明，此类对撞机将显著扩展新物理学的探测范围，能够实现对重共振态的发现、对希格斯耦合的精确测量，以及对远超大型强子对撞机（LHC）能量尺度的新相互作用的敏感探测。

ABSTRACT

This report summarises the physics opportunities in the search and study of physics beyond the Standard Model at a 100 TeV pp collider.

研究动机与目标

• 评估100 TeV质子-质子对撞机在探测标准模型之外新物理学方面的发现潜力。
• 识别探测重共振态、暗物质候选者和新强相互作用动力学的关键信号与实验挑战。
• 评估对希格斯玻色子耦合和电弱对称性自发破缺的精确测量的敏感性。
• 探讨高能对撞机在探测自然性、味物理和量子引力效应中的作用。
• 为高能前沿物理学的理论与实验研究方向提供路线图。

提出的方法

• 使用蒙特卡洛事件生成器模拟√s = 100 TeV的质子-质子碰撞，以建模信号与背景过程。
• 应用先进的喷注子结构技术，识别高度Boosted的共振态，如顶夸克伙伴和八重态色荷态。
• 采用有效场论框架，解释能量尺度高达数TeV的新物理学尺度的约束。
• 评估高动量末态（包括缺失能量和轻子末态）的探测器性能与重建效率。
• 比较各类新物理模型（包括简化模型与紫外完备理论）的发现探测范围。
• 在精确测量希格斯玻色子与矢量玻色子耦合时，纳入量子修正与圈效应，以评估对新物理学的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 100 TeV质子-质子对撞机在顶夸克、希格斯玻色子和矢量玻色子领域探测新共振态的探测范围如何？
• RQ2 高质心系能量在多大程度上提升了对强耦合新物理和复合希格斯情景的敏感性？
• RQ3 100 TeV对撞机在多大程度上能够探测自然性与味改变中性流，其探测能力远超LHC？
• RQ4 探测暗物质和弱相互作用大质量粒子的最佳信号与分析策略是什么？
• RQ5 在高能下，希格斯场的偏离标准模型预测的精确探测精度如何？

主要发现

• 对于许多简化模型，100 TeV质子-质子对撞机可探测到约10–15 TeV量级的新物理学尺度，显著超越LHC的探测范围。
• 该对撞机可实现对顶夸克伙伴和色八重态希格斯伙伴的发现，其质量可达5 TeV以上，具体取决于分支比和衰变模式。
• 高能碰撞使得对希格斯玻色子与矢量玻色子及费米子耦合的测量精度达到亚百分之一量级。
• 通过对共振双矢量玻色子和二胶子末态的探测，该对撞机对强相互作用新物理（如技术色和复合希格斯模型）具有敏感性。
• 它为通过高精度测量希格斯自耦合探测电弱相变和重子生成机制提供了独特机会。
• 高亮度与高质心系能量的结合，使得对长寿命粒子和具有大动量与位移顶点的奇异信号的发现成为可能。