[论文解读] Report of the Topical Group on Physics Beyond the Standard Model at Energy Frontier for Snowmass 2021
本Snowmass 2021报告为在能标前沿发现标准模型之外的物理学（BSM）制定了战略性路线图，主张对高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）进行升级，建设未来的e+e−希格斯工厂，并发展多TeV对撞机。报告表明，这些设施将显著提升对超对称性、暗光子、希格斯玻色子隐形衰变以及隐秘 sector 的探测灵敏度，特别是使自然超对称性（natural SUSY）和热WIMP暗物质的探测范围扩大达两个数量级。
This is the Snowmass2021 Energy Frontier (EF) Beyond the Standard Model (BSM) report. It combines the EF topical group reports of EF08 (Model-specific explorations), EF09 (More general explorations), and EF10 (Dark Matter at Colliders). The report includes a general introduction to BSM motivations and the comparative prospects for proposed future experiments for a broad range of potential BSM models and signatures, including compositeness, SUSY, leptoquarks, more general new bosons and fermions, long-lived particles, dark matter, charged-lepton flavor violation, and anomaly detection.
研究动机与目标
- 评估未来高能对撞机在发现标准模型之外物理现象方面的潜力。
- 识别在能标前沿最易探测的新物理现象，如超对称性、暗光子和希格斯玻色子隐形衰变。
- 通过量化各拟议设施的灵敏度提升，为美国及国际资金投入优先事项提供指导。
- 将能标前沿工作与其他前沿领域（如稀有过程与暗物质信号）进行整合。
- 倡导在加速器、探测器与计算技术方面开展协调研发，以实现下一代发现。
提出的方法
- 提出分层实验计划：升级HL-LHC，建设e+e−希格斯工厂，以及多TeV对撞机（强子、缪子或e+e−/γγ）。
- 利用蒙特卡洛模拟与理论建模，预测不同对撞机类型对BSM信号的灵敏度提升。
- 应用精确的希格斯玻色子测量与阈值扫描（如Z玻色子极点、顶夸克对产生、WW阈值）探测弱耦合的新物理。
- 通过低能与中能高亮度e+e−碰撞评估新物理的间接约束。
- 利用基准模型（如自然超对称性、类希格斯ino的WIMPs、暗光子）比较不同对撞机类型的探测范围。
- 将加速器研发、探测器开发与计算基础设施整合为未来发现的关键推动因素。
实验结果
研究问题
- RQ1HL-LHC在多大程度上能提升对压缩型超对称态（compressed supersymmetry）与暗光子耦合的探测灵敏度？
- RQ2未来的e+e−希格斯工厂在探测奇异希格斯衰变与弱耦合隐秘 sector 方面的能力如何？
- RQ3多TeV对撞机对自然性尺度新物理与热WIMP暗物质的探测范围预期达到何种程度？
- RQ4在Z玻色子极点与顶夸克阈值处的精确测量如何约束直接产生之外的新物理？
- RQ5能标前沿的发现与稀有衰变或g-2测量中的异常之间存在何种协同效应？
主要发现
- HL-LHC将使对RPC停止夸克（RPC stop-squarks）与压缩型希格斯ino（compressed Higgsinos）的探测灵敏度提升1.5至2倍，覆盖自然超对称性参数空间的广大区域。
- 希格斯工厂将使对暗光子耦合的探测灵敏度提升一个数量级，并使希格斯玻色子隐形分支比测量的灵敏度提升4倍。
- 多TeV对撞机可使热WIMP暗物质的探测范围相比HL-LHC扩大最多两个数量级。
- 在Z玻色子极点与顶夸克阈值处的精确测量将显著约束弱耦合新物理，包括暗光子。
- 综合计划使间接探测超出HL-LHC直接探测能力的新物理尺度成为可能，包括耦合常数较小的隐秘 sector。
- 本报告为协调加速器、探测器与计算技术的研发提供了有力依据，以充分实现未来对撞机的发现潜力。
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