[论文解读] Prospective Studies for LEP3 with the CMS Detector

P. Azzi, C. Bernet+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2012

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

一句话总结

本文提出在CERN的LHC隧道内利用现有的CMS探测器，对计划中的高亮度e⁺e⁻对撞机LEP3（√s = 240 GeV）开展精确的希格斯玻色子研究。尽管采用保守假设，研究发现LEP3在瞬时亮度更高和多探测器运行的条件下，其希格斯耦合测量精度仍可达到国际线性对撞机（ILC）预期的2–3倍。

ABSTRACT

On July 4, 2012, the discovery of a new boson, with mass around 125 GeV/c2 and with properties compatible with those of a standard-model Higgs boson, was announced at CERN. In this context, a high-luminosity electron-positron collider ring, operating in the LHC tunnel at a centre-of-mass energy of 240 GeV and called LEP3, becomes an attractive opportunity both from financial and scientific point of views. The performance and the suitability of the CMS detector are evaluated, with emphasis on an accurate measurement of the Higgs boson properties. The precision expected for the Higgs boson couplings is found to be significantly better than that predicted by Linear Collider studies.

研究动机与目标

• 评估CMS探测器在计划中的高亮度e⁺e⁻对撞机（LEP3）上进行希格斯玻色子性质高精度测量的适用性。
• 评估LEP3在√s = 240 GeV能量下对希格斯耦合实现高精度测量的物理潜力。
• 将LEP3的预期测量精度与国际线性对撞机（ILC）进行比较，尤其关注希格斯玻色子与费米子及规范玻色子的耦合。
• 证明环形对撞机构型在亮度和探测器多重性方面相比直线对撞机设计在高精度测量中具有显著优势。

提出的方法

• 采用完整模拟的运行中CMS探测器，包括基于真实数据校准的噪声、死通道和材料预算。
• 假设积分亮度为100 fb⁻¹，利用LEP3在√s = 240 GeV下的CMS探测器进行希格斯玻色子耦合测量的预测。
• 通过模拟事件的统计不确定性，评估希格斯耦合（g_Hff, g_HVV）和希格斯玻色子质量（m_H）的测量精度。
• 在相同的分析框架和保守假设下，将LEP3性能与ILC预测进行比较。
• 评估多探测器运行和更高瞬时亮度对降低系统不确定性的贡献。
• 使用经过验证的模拟工具和真实探测器数据，整合束流辐射效应和探测器响应影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LEP3上，CMS探测器能否实现对希格斯玻色子与费米子及规范玻色子耦合的亚百分之一精度测量？
• RQ2 在保守假设下，LEP3对希格斯耦合测量的预期精度与ILC相比如何？
• RQ3 环形对撞机构型（如更高的瞬时亮度、多探测器运行）在高精度希格斯物理方面相比直线对撞机设计有何优势？
• RQ4 现有LHC隧道和基础设施在多大程度上可降低未来e⁺e⁻对撞机的建设成本并加速其部署？
• RQ5 LEP3计划在多大程度上能显著提高从电弱精密测量数据间接预测希格斯玻色子质量的精度？

主要发现

• 即使在保守假设下，LEP3对希格斯玻色子与费米子（μ, τ, b）及规范玻色子（W, Z）耦合的测量精度仍比最新的ILC预测高出2–3倍。
• 对于底夸克耦合（g_Hbb），预期精度为8%；对于顶夸克耦合（g_Htt），预期精度也为8%，均显著优于ILC的估计。
• 在LEP3上，希格斯玻色子质量的测量精度可达11 MeV/c²，优于ILC预测的37 MeV/c²。
• LEP3的高瞬时亮度与多探测器运行相结合，可使Giga-Z工厂升级为Tera-Z工厂，实现Z极点测量精度提升25–100倍。
• 由于高亮度和低堆积极，W玻色子质量可实现几MeV/c²的测量精度，相比当前精度提升约50倍。
• 在LEP3上，顶夸克质量可实现50 MeV/c²或更高的测量精度，展示了实现高精度电弱测量的巨大潜力。