[论文解读] Physics at a 100 TeV pp collider: Standard Model processes

M. L. Mangano, G. Zanderighi+74 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 56

一句话总结

本文对未来100 TeV质子-质子对撞机上的标准模型过程进行了全面研究，评估了其产生率、动量分布及高能动力学特性。研究识别出关键标准模型过程作为精密物理的重要基准，以及新物理搜索中的关键背景，强调了其在推动极端能量下大型强子对撞机物理精密前沿中的作用。

ABSTRACT

This report summarises the properties of Standard Model processes at the 100 TeV pp collider. We document the production rates and typical distributions for a number of benchmark Standard Model processes, and discuss new dynamical phenomena arising at the highest energies available at this collider. We discuss the intrinsic physics interest in the measurement of these Standard Model processes, as well as their role as backgrounds for New Physics searches.

研究动机与目标

• 评估100 TeV质子-质子对撞机上关键标准模型过程的产生率和动量分布。
• 识别在该对撞机可达到的最高能量下出现的新动力学现象。
• 评估以高精度测量这些标准模型过程的内在物理意义。
• 量化这些标准模型过程作为超出标准模型新物理搜索中背景的作用。
• 支持未来高能强子对撞机实验的精密理论预测发展。

提出的方法

• 采用最先进的微扰QCD和电弱计算，达到下一阶微扰计算（NLO）及以上精度。
• 使用蒙特卡罗事件生成器和部分子级模拟，对基准过程的末态分布进行建模。
• 应用先进的计算工具，如MadGraph5_aMC@NLO和MCFM，实现精确的截面预测。
• 引入高阶修正，包括虚辐射和实辐射，以确保截面和分布计算的精度。
• 利用有效场论框架分析高能行为及与标准模型预期的潜在偏离。
• 利用大规模计算资源，包括阿贡领导力计算设施，处理复杂的多标度计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在100 TeV质子-质子对撞机上，关键标准模型过程的产生截面和动量分布是什么？
• RQ2 在100 TeV质心系能量下，高能QCD和电弱过程中出现何种新颖的动力学现象？
• RQ3 与大型强子对撞机相比，100 TeV下标准模型过程的特性如何提升理论预测的精度？
• RQ4 这些标准模型过程在100 TeV量级新物理搜索中构成主导背景的程度如何？
• RQ5 以这些标准模型过程为未来对撞机精密物理基础，其理论与实验意义是什么？

主要发现

• 100 TeV质子-质子对撞机使标准模型过程的测量达到前所未有的精度，特别是在高动量转移和高多重态末态中。
• 与大型强子对撞机相比，双玻色子产生（WZ、WW、ZZ）和顶夸克对产生等过程的产生率显著提高，截面达到数十至数百皮靶。
• 喷注和矢量玻色子分布中的高能尾部变得可探测，揭示了新的QCD动力学，并可能偏离固定阶次预测。
• 通过引入高阶修正，标准模型截面的理论不确定性得以降低，下一阶微扰计算（NLO）和下一下一阶微扰计算（NNLO）提供了稳健的预测。
• 本研究识别出顶夸克对产生和矢量玻色子融合是探测希格斯玻色子 sector 及在极端能量下检验电弱对称性自发破缺的关键过程。
• 本文确立了100 TeV下的标准模型过程将在新物理搜索中作为关键控制样本和背景参考，尤其在重共振态和味不对称信号的探测中具有重要作用。