[论文解读] Physics opportunities with future proton accelerators at CERN

A. Blondel, L. Camilleri+5 more|ArXiv.org|Sep 11, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用 10

一句话总结

本文通过升级质子加速器，评估了欧洲核子研究中心（CERN）未来物理机遇，包括大型强子对撞机（LHC）的亮度和能量提升、潜在的未来中微子设施，以及罕见奇异粒子衰变、核物理和反质子物理的固定靶实验。论文概述了关键探测器研发需求，并强调了初始LHC实验和中微子实验输入对指导未来升级和发现潜力的重要性。

ABSTRACT

We analyze the physics opportunities that would be made possible by upgrades of CERN's proton accelerator complex. These include the new physics possible with luminosity or energy upgrades of the LHC, options for a possible future neutrino complex at CERN, and opportunities in other physics including rare kaon decays, other fixed-target experiments, nuclear physics and antiproton physics, among other possibilities. We stress the importance of inputs from initial LHC running and planned neutrino experiments, and summarize the principal detector R&D issues.

研究动机与目标

• 评估CERN未来质子加速器升级的科学潜力，包括LHC的亮度和能量扩展。
• 评估基于CERN的未来中微子综合体的可行性及其在精确测量中微子振荡参数方面的物理影响。
• 识别在固定靶物理中的机遇，包括罕见奇异粒子衰变、核物理和反质子实验。
• 通过识别未来实验的关键技术挑战，指导探测器研发。
• 整合初始LHC运行和计划中的中微子实验的输入，以指导长期加速器和物理策略。

提出的方法

• 通过预测的LHC亮度和能量升级分析物理探测能力，估算对标准模型之外新物理的敏感度。
• 评估未来CERN中微子设施的设计和物理潜力，包括高强度质子束和长基线中微子振荡实验。
• 调查利用升级后质子束的固定靶实验，重点研究罕见奇异粒子衰变（如K→πνν̄）和低能强子物理。
• 评估未来质子和反质子束中高亮度、高精度测量的技术要求和探测器挑战。
• 利用有效场论和标准模型之外的理论框架，建立未来实验预期物理敏感度的模型。
• 整合初始LHC数据和计划中中微子实验的结果，以优化长期加速器和探测器研发路线图。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC亮度升级后可能发现哪些新物理现象？
• RQ2 未来基于CERN的中微子设施将如何提升中微子混合参数和CP破坏测量的精度？
• RQ3 利用升级后的质子束，在罕见奇异粒子衰变中有哪些关键物理机遇？
• RQ4 实现未来质子和反质子实验物理潜力所必需的探测器技术有哪些？
• RQ5 初始LHC和中微子实验结果如何指导未来加速器升级的设计？

主要发现

• LHC的亮度升级可将对新物理的敏感度（包括超对称和希格斯 sector 扩展）提高至积分亮度的10倍。
• 未来的CERN中微子综合体可实现与全球长基线实验相当的中微子混合角和CP破坏测量精度。
• 利用升级束流的罕见奇异粒子衰变实验（如K→πνν̄）可将敏感度提高10倍，用于检验轻子味 universality 和新物理模型。
• 高亮度质子束的固定靶实验为低能强子物理提供了独特途径，包括底重子谱学和核形式因子研究。
• 未来设施中的反质子物理可实现对CPT不变性和低能量子色动力学的高精度检验。
• 关键探测器研发挑战包括抗辐射能力、高亮度触发系统，以及高多重性环境下的高精度轨迹重建。