[论文解读] SAPPHiRE: a Small Gamma-Gamma Higgs Factory

S. A. Bogacz, John Ellis+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 20

一句话总结

SAPPHiRE 提出了一种成本和时间效率更高的 $̳\gamma\gamma$ 希格斯工厂，采用两台约 10 GeV 的循环直线加速器，实现高亮度的光子-光子碰撞。在 $\sqrt{s}_{\gamma\gamma} \sim 125$ GeV 时，其峰值亮度为 $0.36\times10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$，可实现对希格斯玻色子质量、耦合常数及 CP 性质的精确测量。

ABSTRACT

A new particle with mass ~ 125 GeV that resembles the Higgs boson has recently been discovered by ATLAS and CMS. We propose a low-energy gamma-gamma collider as a cost- and time-efficient option for a Higgs factory capable of studying this particle in detail. In the past, this option has been suggested as a possible application of the CLIC two-beam accelerator technology (the CLIC Higgs Experiment, CLICHE) or as an option for the ILC. Here we propose a design based on a pair of \sim 10 GeV recirculating Linacs (Small Accelerator for Photon-Photon Higgs production using Recirculating Electrons, SAPPHiRE) similar in design to those proposed for the LHeC. We present parameters for the e- beams and sketch a laser backscattering system capable of producing a gamma-gamma peak luminosity of 0.36 imes 10^34/cm2/s with E_CM (gamma-gamma) \sim 125 GeV. A gamma-gamma collider with such a luminosity could be used to measure accurately the mass, bbar, WW\ast, and gamma-gamma decays of the Higgs boson. We also comment on possible synergies with other projects such as LHeC, the ILC or CLIC, and on other physics prospects in gamma-gamma and e-gamma collisions.

研究动机与目标

• 提出一种成本和时间效率更高的 $e^+e^-$ 希格斯工厂替代方案，用于对 125 GeV 希格斯玻色子进行详细研究。
• 利用与 LHeC 所提议技术类似的循环直线加速器技术，实现低能、高亮度的 $\gamma\gamma$ 碰撞。
• 通过 $\gamma\gamma$ 碰撞实现对希格斯玻色子性质（包括质量、衰变分支比和 CP 性质）的高精度测量。
• 与 $e^+e^-$ 对撞机相比，消除对正电子源的需求并降低射频功率需求，从而实现潜在的成本节约。
• 探索与 LHeC、ILC 和 CLIC 等现有项目的协同潜力，并评估独立 $\gamma\gamma$ 希格斯工厂的可行性。

提出的方法

• 利用两台约 10 GeV 的循环电子直线加速器，产生适合激光反向散射的高亮度电子束。
• 实施激光反向散射系统，生成高能光子，使 $\gamma\gamma$ 碰撞的质心能量达到约 125 GeV。
• 优化束流参数（发射度、能量 spread 和 train 长度），以实现最大 $\gamma\gamma$ 亮度，目标为 $0.36\times10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$。
• 采用 CLICHE 概念中已优化的激光反向散射系统，该系统此前专为约 115 GeV 希格斯玻色子产生而设计。
• 利用电子束和光子束的高极化度，增强对 CP 奇异和 CP 偶异希格斯耦合的探测灵敏度。
• 利用 $\gamma\gamma \to h$ 截面和分支比估算关键衰变模式的事件率和统计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于循环直线加速器的低能 $\gamma\gamma$ 对撞机能否实现足够高的亮度，以在 125 GeV 能量下实现对希格斯玻色子的精确测量？
• RQ2 与传统的 $e^+e^-$ 对撞机相比，$\gamma\gamma$ 希格斯工厂在成本、束流能量和运行简便性方面有哪些关键优势？
• RQ3 在多大程度上，$\gamma\gamma$ 碰撞能够实现对希格斯玻色子分支比和耦合常数（特别是 $\Gamma_{\gamma\gamma}$ 和 $\Gamma_{WW^*}$）的精确测量？
• RQ4 在 $\gamma\gamma$ 对撞机中，$h \to \gamma\gamma$、$b\bar{b}$ 和 $WW^*$ 衰变模式的预期本底和信噪比如何比较？
• RQ5 利用 $\gamma\gamma$ 碰撞测量希格斯玻色子与光子耦合的 CP 性质的前景如何？

主要发现

• SAPPHiRE 在 $\sqrt{s}_{\gamma\gamma} \sim 125$ GeV 时实现了 $0.36\times10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ 的峰值 $\gamma\gamma$ 亮度，足以每年产生数万个希格斯玻色子。
• 对于 $h \to b\bar{b}$ 衰变模式，每年产生约 11,540 个事例，$\Gamma_{\gamma\gamma} \times \text{BR}(h \to b\bar{b})$ 的统计不确定性约为 2%。
• 对于 $h \to WW^*$ 衰变模式，每年产生约 4,300 个事例，$\Gamma_{\gamma\gamma} \times \text{BR}(h \to WW^*)$ 的统计不确定性为 5%。
• 对于稀有衰变模式 $h \to \gamma\gamma$，每年产生约 45 个事例，$\Gamma_{\gamma\gamma} \times \text{BR}(h \to \gamma\gamma)$ 的统计不确定性为 8%。
• 可通过多种方法（包括在 $b\bar{b}$、$\gamma\gamma$ 和 $ZZ^*$ 质量分布中的峰形拟合）对希格斯玻色子质量实现高精度测量。
• 希格斯玻色子与光子耦合的 CP 性质可实现约 5% 的测量精度，从而能够对标准模型和新物理进行敏感检验。