[论文解读] Projected Performance of an Upgraded CMS Detector at the LHC and HL-LHC: Contribution to the Snowmass Process

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 69

一句话总结

本文预测了在高亮度强子对撞机（HL-LHC）升级后的CMS探测器的物理性能，预测其将显著提升对希格斯玻色子性质、顶夸克和电弱过程的测量灵敏度，以及对标准模型之外新物理的探测能力。在√s = 14 TeV下积累300 fb⁻¹数据，以及在HL-LHC下最多达到3000 fb⁻¹的数据，预计探测器将能够实现对125 GeV希格斯玻色子的高精度研究，并发现新的共振态或超对称粒子。

ABSTRACT

The physics reach of the CMS detector achievable with 300(0) inverse femtobarns of proton-proton collisions recorded at sqrt(s)=14 TeV is presented. Ultimate precision on measurements of Higgs boson properties, top quark physics, and electroweak processes are discussed, as well as the discovery potential for new particles beyond the standard model. In addition, the potential for future heavy ion physics is presented. This document has been submitted as a white paper to the Snowmass process, an exercise initiated by the American Physical Society's Division of Particles and Fields to assess the long-term physics aspirations of the US high energy physics community.

研究动机与目标

• 在U.S. Snowmass进程框架下，评估升级后的LHC和HL-LHC中CMS探测器的长期物理潜力。
• 预测对希格斯玻色子性质、顶夸克物理、电弱过程以及标准模型之外新物理的发现与测量灵敏度。
• 评估在高亮度条件下，高精度重离子物理研究（包括部分子能量损失和夸克onium抑制）的潜力。
• 证明为应对更高积聚和亮度而进行探测器升级的必要性，以确保最优的物理探测能力。

提出的方法

• 将当前CMS分析方法外推至更高的质心系能量（√s = 14 TeV）和亮度，假设探测器升级可缓解辐射和积聚效应。
• 利用部分子亮度缩放方法估算高能下新物理过程的产额增加，特别是涉及高能区胶子融合的过程。
• 假设现有分析策略在重新优化以适应更高能量和亮度后依然有效，从而预测灵敏度的提升。
• 基于预期的积分亮度投影物理探测能力：LHC阶段为300 fb⁻¹，HL-LHC阶段最高达3000 fb⁻¹。
• 评估在积聚条件下（每束团簇最多128个相互作用）对高多重性事件的触发与重建性能。
• 评估探测器在重离子碰撞中进行高精度测量的能力，包括喷注淬火、光子+喷注和Z+喷注关联等。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 14 TeV和HL-LHC亮度下，升级后的CMS探测器对希格斯玻色子的耦合、自耦合以及圈修正过程的灵敏度如何？
• RQ2 HL-LHC的亮度和能量提升将如何增强对超对称和奇异共振态的发现能力？
• RQ3 在高积聚条件下，CMS探测器在顶夸克和电弱过程的高精度测量方面能达到何种程度？
• RQ4 在10–3000 fb⁻¹的数据下，哪些重离子物理测量将变得可行，特别是关于喷注淬火和部分子能量损失的研究？
• RQ5 探测器升级将如何支持对微分可观测量（如反应面依赖的相关性）和稀有探针（如ψ(2S)）的研究？

主要发现

• 在3000 fb⁻¹的积分亮度下，HL-LHC将使稀有过程的统计量提升10倍，显著提高对希格斯玻色子耦合和自耦合的测量精度。
• 能量提升至√s = 14 TeV将使新物理的质量探测范围相比7 TeV扩大一倍，尤其显著增强对以胶子融合为主导的共振态的发现潜力。
• 在14 TeV下积累300 fb⁻¹数据，CMS可实现对希格斯玻色子与W和Z玻色子耦合的亚百分之一精度测量，从而对其实标准模型性质进行决定性检验。
• 探测器升级后的触发与重建系统将使喷注淬火和部分子能量损失的详细研究成为可能，包括作为反应面和中心度函数的微分测量。
• 高亮度重离子计划将产生足够多的Z+喷注和γ+喷注事件（分别高达3000和600个，pT > 50和100 GeV/c），从而实现对夸克与胶子喷注淬火差异的微分研究。
• 预计CMS探测器将实现对夸克onium抑制模式和中心度依赖性的高精度测量，这对研究重离子碰撞中的QCD相变至关重要。