[论文解读] Physics case for an LHCb Upgrade II - Opportunities in flavour physics, and beyond, in the HL-LHC era

LHCb Collaboration, B. Adeva+832 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 525被引用 234

一句话总结

本文提出LHCb升级II，这是高亮度LHC（HL-LHC）的重大探测器增强，可实现味物理领域的精密测量及新物理搜索。在10倍更高亮度（2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹）下运行，将探测稀有B介子衰变，通过μ+μ−模式检验最小味破坏，并实现对粲CP破坏10⁻⁵量级的灵敏度——与HL-LHC之前时代的实验相比，新物理探测范围几乎扩大了一倍。

ABSTRACT

The LHCb Upgrade II will fully exploit the flavour-physics opportunities of the HL-LHC, and study additional physics topics that take advantage of the forward acceptance of the LHCb spectrometer. The LHCb Upgrade I will begin operation in 2020. Consolidation will occur, and modest enhancements of the Upgrade I detector will be installed, in Long Shutdown 3 of the LHC (2025) and these are discussed here. The main Upgrade II detector will be installed in long shutdown 4 of the LHC (2030) and will build on the strengths of the current LHCb experiment and the Upgrade I. It will operate at a luminosity up to $ 2 imes 10^{34} m cm^{-2}s^{-1}$, ten times that of the Upgrade I detector. New detector components will improve the intrinsic performance of the experiment in certain key areas. An Expression Of Interest proposing Upgrade II was submitted in February 2017. The physics case for the Upgrade II is presented here in more depth. $CP$-violating phases will be measured with precisions unattainable at any other envisaged facility. The experiment will probe $b o s \ell^+\ell^-$ and $b o d \ell^+\ell^-$ transitions in both muon and electron decays in modes not accessible at Upgrade I. Minimal flavour violation will be tested with a precision measurement of the ratio of $B(B^0 oμ^+μ^-)/B(B_s^0 o μ^+μ^-)$. Probing charm $CP$ violation at the $10^{-5}$ level may result in its long sought discovery. Major advances in hadron spectroscopy will be possible, which will be powerful probes of low energy QCD. Upgrade II potentially will have the highest sensitivity of all the LHC experiments on the Higgs to charm-quark couplings. Generically, the new physics mass scale probed, for fixed couplings, will almost double compared with the pre-HL-LHC era; this extended reach for flavour physics is similar to that which would be achieved by the HE-LHC proposal for the energy frontier.

研究动机与目标

• 通过实现对稀有B介子衰变（特别是b → sℓ⁺ℓ⁻和b → dℓ⁺ℓ⁻跃迁）的精密测量，拓展HL-LHC时代味物理的探测范围。
• 通过精确测量比值B(B⁰ → μ⁺μ⁻)/B(Bₛ⁰ → μ⁺μ⁻)来检验标准模型对最小味破坏的预测。
• 在10⁻⁵量级上搜索粲衰变中的CP破坏，有望实现其长期寻求的发现。
• 通过提升探测器性能，增强强子谱学研究并探测低能QCD。
• 在LHC实验中实现对顶夸克与粲夸克耦合的最高灵敏度。

提出的方法

• 升级II探测器将在2×10³⁴ cm⁻²s⁻¹的亮度下运行，是升级I的十倍，从而提升统计量并改善测量精度。
• 将在长停机期4（2030年）期间安装新的探测器组件，包括在六个体积表面全面布置追踪层，以抑制本底并改善顶点重建。
• 设计采用紧凑、低本底环境，以实现对长寿命粒子（LLPs）的探测，可能通过飞行时间层实现对LLP动量和质量的重建。
• 预计在升级II时代，形式因子的理论不确定性将降低至原来的0.25倍，从而提高RK和RK*等可观测量的精度。
• 通过将角可观测量和RK的实验不确定性转换为威尔逊系数的约束，利用flavio软件进行有效场论分析，确定新物理探测范围。
• 在90%置信水平下，通过关系式ΛNP ∝ 1/σ(C′)计算新物理尺度（ΛNP）的排除极限，其中κ值取决于新物理模型（例如，树图级为κ = 1，圈图级MFV为κ = VtbV*ts/(16π²)）。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb升级II能否实现对粲衰变中CP破坏的10⁻⁵量级灵敏度，从而可能实现其发现？
• RQ2 B(B⁰ → μ⁺μ⁻)/B(Bₛ⁰ → μ⁺μ⁻)比值的预期精度是多少？它如何检验最小味破坏？
• RQ3 与HL-LHC之前时代相比，升级II在味敏感过程中的新物理探测范围将提升多少？
• RQ4 与其它LHC实验相比，升级II对顶夸克与粲夸克耦合的预期灵敏度如何？
• RQ5 探测器的全体积追踪与时间分辨能力在多大程度上可扩展对长寿命粒子和奇异Higgs衰变的探测范围？

主要发现

• 对于固定耦合，LHCb升级II将实现新物理探测尺度接近预-HL-LHC时代两倍，与HE-LHC能区前沿提案的预期探测范围相当。
• 该实验将实现其他现有或计划中的设施无法达到的CP破坏相位测量精度。
• B(B⁰ → μ⁺μ⁻)/B(Bₛ⁰ → μ⁺μ⁻)比值将被高精度测量，为最小味破坏提供严格检验。
• 探测器的全体积追踪与时间分辨能力将实现对LLP提升和质量的重建，时间分辨率优于50 ps，从而扩展对轻型长寿命粒子的探测范围。
• 预计在升级II时代，形式因子的理论不确定性将降低75%，显著提升RK和RK*等可观测量的精度。
• 集成于LHCb隧道内的CODEX-b扩展装置，可将长寿命粒子探测范围扩展至mϕ < 1 GeV且cτ高达10 m，优于该区域其他实验。