[论文解读] Standard Model Physics at the HL-LHC and HE-LHC

P. Azzi, S. Farry+221 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 507被引用 55

一句话总结

本文全面评估了在高亮度LHC（HL-LHC）和高能LHC（HE-LHC）下标准模型物理，重点在于精确测量、稀有过程以及QCD动力学。文章详细阐述了探测希格斯玻色子性质、顶夸克耦合、电弱对称性自发破缺以及共振态的中心伴随产生（CEP）的理论与实验策略，对更高亮度和质心系能量下的灵敏度提升与发现潜力提出了关键预测。

ABSTRACT

The successful operation of the Large Hadron Collider (LHC) and the excellent performance of the ATLAS, CMS, LHCb and ALICE detectors in Run-1 and Run-2 with $pp$ collisions at center-of-mass energies of 7, 8 and 13 TeV as well as the giant leap in precision calculations and modeling of fundamental interactions at hadron colliders have allowed an extraordinary breadth of physics studies including precision measurements of a variety physics processes. The LHC results have so far confirmed the validity of the Standard Model of particle physics up to unprecedented energy scales and with great precision in the sectors of strong and electroweak interactions as well as flavour physics, for instance in top quark physics. The upgrade of the LHC to a High Luminosity phase (HL-LHC) at 14 TeV center-of-mass energy with 3 ab$^{-1}$ of integrated luminosity will probe the Standard Model with even greater precision and will extend the sensitivity to possible anomalies in the Standard Model, thanks to a ten-fold larger data set, upgraded detectors and expected improvements in the theoretical understanding. This document summarises the physics reach of the HL-LHC in the realm of strong and electroweak interactions and top quark physics, and provides a glimpse of the potential of a possible further upgrade of the LHC to a 27 TeV $pp$ collider, the High-Energy LHC (HE-LHC), assumed to accumulate an integrated luminosity of 15 ab$^{-1}$.

研究动机与目标

• 评估HL-LHC与HE-LHC对标准模型精确检验的敏感度。
• 识别用于探测希格斯玻色子耦合、电弱对称性自发破缺以及顶夸克性质的关键物理道。
• 评估中心伴随产生（CEP）在研究胶球、强子谱学以及Pomeron结构方面的潜力。
• 为未来LHC运行中QCD与电弱物理的理论与实验进展提供路线图。
• 支持探测器与分析方法的发展，以实现关键标准模型测量的亚1%精度。

提出的方法

• 利用下一阶微扰（NLO）与下一下一阶微扰（NNLO）QCD计算，对标准模型过程进行精确预测。
• 采用有效场论（EFT）框架，解释希格斯玻色子与顶夸克耦合中的偏离现象。
• 使用SUPERCHIC与MadGraph等事件生成器，模拟介子与夸克偶素的中心伴随产生（CEP）。
• 对ππ、KK与p¯p末态执行部分波分析（PWA），以提取共振态的自旋宇称量子数。
• 通过探测器模拟与性能研究（如ALICE、ATLAS、CMS）评估在高亮度条件下CEP测量的可行性。
• 分析吸收修正与快度间隙存活概率，以建模CEP中非微扰QCD效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 HL-LHC对希格斯玻色子耦合与异常三重规范玻色子耦合的预期灵敏度如何？
• RQ2 低质量介子的中心伴随产生如何约束Pomeron结构与胶球候选态？
• RQ3 在HL-LHC下，χc0、χc1与χc2态在CEP中的预期产额是多少？它们如何用于检验QCD束缚态模型？
• RQ4 在HE-LHC下，顶夸克性质的精确测量能在多大程度上探测标准模型之外的新物理？
• RQ5 CEP中的主导非微扰QCD效应是什么？如何在数据分析中建立模型并进行修正？

主要发现

• HL-LHC预计可实现希格斯玻色子信号强度测量的亚1%精度，从而能够对Yukawa耦合与异常耦合进行敏感检验。
• 预计ALICE将在Run-3结束时收集超过50,000个χc0 → π+π−衰变事件，为粲偶素态的精确谱学研究提供可能。
• 对超量轻标量介子（如f0(1370)、f0(1500)、f0(1710)）的证据表明其具有显著的胶子成分，支持其作为胶球-介子混合态候选者的地位。
• 对CEP中ππ与KK系统的部分波分析揭示了多个自旋宇称为0++与2++的共振态，与胶球态一致。
• 张量Pomeron理论模型预测了独特的极化与快度分布，可在高统计量的CEP数据中进行检验。
• 在高亮度下进行的CEP测量将能够约束Pomeron-介子耦合与形式因子，从而连接非微扰与微扰QCD区域。