[论文解读] The collider landscape: which collider for establishing the SM instability?

Roberto Franceschini, Алессандро Струмиа+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用 12

一句话总结

本文认为，在不存在新物理的前提下，近期对撞机最宝贵的首要目标是通过减小顶夸克质量与强耦合常数的不确定性，精确测量希格斯势的不稳定性标度。作者提出，低亮度的 e⁺e⁻ 对撞机或早期阶段的μ子对撞机通过执行 t¯t 阈值扫描，可实现所需的精度，从而对标准模型的真空稳定性及其在多重真空景观中的人择选择性进行关键检验。

ABSTRACT

Capabilities of future colliders are usually discussed assuming specific hypothetical new physics. We consider the opposite possibility: that no new physics is accessible, and we want to learn if the unnatural Standard Model is part of a vast landscape. We argue that a main step in this direction would be establishing the possible instability scale of the Higgs potential. This primarily needs reducing the uncertainty on the strong coupling and on the top quark mass. We show that the top quark mass can be measured well enough via a tt ̄ threshold scan with low 1033 cm−2sec−1 luminosity, that seems achievable at a ‘small’ e+e− collider in the LEP tunnel, or at a muon collider demonstrator.

研究动机与目标

• 确定若在可及能量下未发现新物理，最具战略价值的对撞机项目是什么。
• 评估对标准模型参数（尤其是顶夸克质量与强耦合常数）的高精度测量，如何探测希格斯势不稳定性标度。
• 评估在多重宇宙或景观情景下，高精度标准模型测量的信息论价值。
• 确定位于 LEP 隧道中的“小型”对撞机或早期 μ 子对撞机阶段是否能实现真空稳定性测试所需的精度。
• 量化测量基本参数可获得的信息量，特别是与在巨大景观中定位标准模型真空的关系。

提出的方法

• 提出在低亮度（~10³³ cm⁻²s⁻¹）的 e⁺e⁻ 对撞机上执行 t¯t 阈值扫描，以高精度测量顶夸克质量。
• 使用信息论，特别是条件熵，量化对基本参数的测量能为景观中真空的分布提供多少信息。
• 应用香农信息论，估算当前对标准模型与宇宙学参数的测量所获得的 e-比特信息量。
• 考虑两种情景：一种是小参数中的前导零具有信息量（例如 yμ ≈ 0.0006），另一种是由于自然机制可产生小值，因此前导零无信息量。
• 分析理论不确定性对景观预测的影响，尽管这些在主要分析中被忽略，以隔离实验信息增益。
• 将当前测量的信息量（若前导零计为信息，则约 655 e-比特；若不计，则约 160 e-比特）与在约 10⁵⁰⁰ 个真空的景观中定位标准模型真空所需的信息量（约 1150 e-比特）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 低亮度 e⁺e⁻ 对撞机或早期 μ 子对撞机能否实现足够精度，以测量顶夸克质量与强耦合常数，从而检验希格斯势的不稳定性？
• RQ2 当前对标准模型参数的高精度测量，能为假设景观中标准模型真空的位置提供多少信息？
• RQ3 在真空稳定性背景下，测量顶夸克质量与强耦合常数相较于其他标准模型参数，其信息论价值为何？
• RQ4 景观预测中的理论不确定性如何影响实验测量带来的信息增益？
• RQ5 在未发现新物理的前提下，希格斯势的不稳定性标度能在多大程度上被确定？何种对撞机配置对此任务最为理想？

主要发现

• 在约 10³³ cm⁻²s⁻¹ 亮度的 e⁺e⁻ 对撞机上执行 t¯t 阈值扫描，可实现测量顶夸克质量与强耦合常数的精度，足以检验希格斯势的不稳定性。
• 若将前导零视为具有信息量，当前对基本标准模型参数的测量提供了约 655 e-比特的信息；若不计，则约为 160 e-比特。
• 测量顶夸克质量与强耦合常数所获得的信息对判断希格斯势在高能下是否存在更深的最小值至关重要。
• 在约 10⁵⁰⁰ 个真空的景观中定位标准模型真空所需的信息量约为 1150 e-比特，表明当前测量尚不充分，但为必要第一步。
• 本文表明，即使在无新物理发现的情况下，希格斯势的不稳定性标度仍是未来对撞机的关键目标，因为它提供了标准模型在更广阔景观中位置的结构性信息。
• 分析表明，在景观情景下，对基本参数（尤其是如真空稳定性这类临界相变附近的参数）的高精度测量，具有显著的信息论价值。