[论文解读] Physics case of FCC-ee

D. d’Enterria|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 11

一句话总结

该论文提出在90–350 GeV质心系能量下建设未来电子-positron对撞机FCC-ee，利用多ab⁻¹的亮度和亚MeV量级的束流能量分辨率，对Z、W、希格斯玻色子和顶夸克的性质进行高精度测量。这使得对新物理的间接约束可达到7 TeV（针对希格斯耦合）和100 TeV（针对电弱耦合）量级，同时通过稀有衰变对暗物质和惰性中微子具有竞争力的探测灵敏度。

ABSTRACT

The physics case for electron-positron beams at the Future Circular Collider (FCC-ee) is succinctly summarized. The FCC-ee core program involves $e^+e^-$ collisions at $\sqrt{s}$ = 90, 160, 240, and 350 GeV with multi-ab$^{-1}$ integrated luminosities, yielding about 10$^{12}$ Z bosons, 10$^{8}$ W$^+$W$^-$ pairs, 10$^{6}$ Higgs bosons and 4$\cdot$10$^{5}$ $t\bar{t}$ pairs per year. The huge luminosities combined with $\cal{100}$ keV knowledge of the c.m. energy will allow for Standard Model studies at unrivaled precision. Indirect constraints on new physics can thereby be placed up to scales $Λ_{_{ m NP}} \approx$ 7 and 100 TeV for particles coupling respectively to the Higgs and electroweak bosons.

研究动机与目标

• 在FCC-ee建立高精度物理计划，以前所未有的精度探测标准模型。
• 通过电弱和希格斯 sector 参数的高精度测量，对标准模型之外的新物理（BSM）施加间接约束。
• 通过Z和希格斯玻色子的稀有衰变探索，实现对暗物质和惰性中微子的直接探测灵敏度。
• 在关键耦合和质量参数上实现千分之一量级的精度，从而实现对高达100 TeV的新物理尺度的探测灵敏度。
• 展示环形 $e^+e^-$ 对撞机相较于强子对撞机在高精度研究和无模型依赖搜索方面的独特优势。

提出的方法

• 在 $√{s} = 90$、160、240 和 350 GeV 的 $e^+e^-$ 碰撞中，利用每年高达 10 ab⁻¹ 的积分亮度。
• 通过共振横向去极化实现精确的束流能量校准，达到 $±$100 keV 的能量分辨率。
• 在Z玻色子共振峰（$√{s} \approx$ 91 GeV）和 $W^+W^-$ 阈值（$\approx$ 160 GeV）附近进行阈值扫描，以提取高精度参数。
• 通过测量 $e^+e^- \to t\bar{t}$ 和 $Z$ 玻色子衰变的微分分布，实现对顶夸克和电弱耦合的 0.1% 精度探测。
• 利用 $H \to \ell^+\ell^-$ 和 $H$-喷射过程，以 0.2% 的绝对精度测量希格斯玻色子宽度和不可见分支比。
• 分析稀有衰变 $Z \to \ell^+\ell^-$ 和 $H \to \gamma\gamma$、$Z\gamma$ 以及 $\ell^+\ell^-$，以探测不可见希格斯衰变和新奇耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过FCC-ee的高精度测量，新物理的最大能量尺度 $Λ_{\rm NP}$ 能被间接约束到多大？
• RQ2 希格斯玻色子宽度和不可见分支比的测量精度如何？在 $m_{\rm DM} < m_Z/2$ 范围内对暗物质的探测灵敏度如何？
• RQ3 能否以 0.15% 的精度测量 $g_{\rm HZZ}$ 耦合？其对标量 sector 中新物理的约束结果如何？
• RQ4 FCC-ee 对通过 $Z \to N\ell$ 衰变探测的惰性中微子的灵敏度如何？与现有极限相比如何？
• RQ5 对如 $H \to \rho\gamma$ 或 $H \to e^+e^-$ 等稀有希格斯衰变的可观测性如何？它们对费米子 Yukawa 耦合揭示了什么信息？

主要发现

• 在 350 GeV 能量下，10 ab⁻¹ 积分亮度时，FCC-ee 每年可收集约 10¹² 个 Z 玻色子、10⁸ 对 $W^+W^-$、10⁶ 个希格斯玻色子和 4×10⁵ 对 $t\bar{t}$。
• ±100 keV 的束流能量分辨率使 $m_Z$、$m_W$ 和 $m_t$ 的测量达到千分之一量级精度，系统误差相比当前测量降低约 25 倍。
• 通过结合多个衰变道，希格斯玻色子总宽度的测量不确定性可控制在 $\mathcal{O}(1\%)$ 量级，其不可见分支比可实现 0.2% 的绝对精度测量。
• 若未观测到信号，可在 95% 置信水平下将希格斯不可见分支比上限设为 0.5%，为暗物质模型提供强有力约束。
• 对新物理的间接约束可达到 $\Lambda_{\rm NP} \gtrsim$ 7 TeV（针对希格斯 sector 耦合）和 $\Lambda_{\rm NP} \gtrsim$ 100 TeV（针对电弱玻色子耦合）。
• FCC-ee 可通过 $Z \to N\ell$ 衰变探测质量高达 60 GeV、混合角低至 $\sin^2 2\theta \sim 10^{-10}$ 的惰性中微子，设定前所未有的极限。