[论文解读] The Future Circular Collider: a Summary for the US 2021 Snowmass Process

M. Abbrescia, E. Brost+42 more|KTH Publication Database DiVA (KTH Royal Institute of Technology)|Mar 12, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 23

一句话总结

本白皮书概述了以 FCC 计划（先是 FCC‑ee，随后是 FCC‑hh）为实现对希格斯、电弱、拓扑、味、QCD 以及超越标准模型研究的长远全球协作路径，涵盖一个 90 多公里隧道以实现高 luminosity 的 e+e− 对撞，随后进行 100 TeV 的 pp 对撞，并强调美国的参与和与 CERN 基础设施的协同。

ABSTRACT

In this white paper for the 2021 Snowmass process, we give a description of the proposed Future Circular Collider (FCC) project and its physics program. The paper summarizes and updates the discussion submitted to the European Strategy on Particle Physics. After construction of an approximately 90 km tunnel, an electron-positron collider based on established technologies allows world-record instantaneous luminosities at center-of-mass energies from the Z resonance up to tt thresholds, enabling a rich set of fundamental measurements including Higgs couplings determinations at the sub percent level, precision tests of the weak and strong forces, and searches for new particles, including dark matter, both directly and via virtual corrections or mixing. Among other possibilities, the FCC-ee will be able to (i) indirectly discover new particles coupling to the Higgs and/or electroweak bosons up to scales around 7 and 50 TeV, respectively; (ii) perform competitive SUSY tests at the loop level in regions not accessible at the LHC; (iii) study heavy-flavor and tau physics in ultra-rare decays beyond the LHC reach, and (iv) achieve the best potential in direct collider searches for dark matter, sterile neutrinos, and axion-like particles with masses up to around 90 GeV. The tunnel can then be reused for a proton-proton collider, establishing record center-of-mass collision energy, allowing unprecedented reach for direct searches for new particles up to the around 50 TeV scale, and a diverse program of measurements of the Standard Model and Higgs boson, including a precision measurement of the Higgs self-coupling, and conclusively testing weakly-interacting massive particle scenarios of thermal relic dark matter.

研究动机与目标

• 描述 FCC 项目及其物理学计划作为一个长期、全球协作的事业。
• 总结 FCC‑ee 和 FCC‑hh 的加速器设计、研发需求与场地考虑。
• 评估希格斯、电弱、拓扑、味、QCD 以及超越标准模型物理潜力。
• 解释 FCC‑ee 与 FCC‑hh 的协同作用以及潜在的时间表与里程碑。
• 讨论探测器/仪器化挑战以及美国在研发和建设中的贡献作用。

提出的方法

• 给出基线的 FCC‑ee 运行情景及在 Z 极、WW 阈、ZH 与 t t̄ 能量下的预期 luminosities。
• 量化希格斯产生方式（ZH、WW 融合）及对追溯技术的模型无关希格斯测量。
• 对希格斯质量、宽度及耦合的精密研究进行预测，包括通过自洽耦合的环效应与横截面测量的自洽耦合。
• 描述向 FCC‑hh 的过渡，约 100 TeV 的 pp 对撞及预期的积分 luminosity，使直接搜索和高精度的希格斯/自耦合研究成为可能。
• 讨论加速器技术（Nb3Sn 磁体、高场概念、射频系统）及美国在磁体开发、腔体和束流动力学方面的贡献。
• 总结探测器/接口需求及 FCC‑ee 与 FCC‑hh 测量如何互补。

实验结果

研究问题

• RQ1 FCC‑ee 在希格斯耦合、质量与宽度方面可以达到何种精度，这如何转化为对新物理尺度的敏感度？
• RQ2 FCC 计划如何通过环效应与混合在希格斯/电弱领域来量化对新粒子的间接探测范围？
• RQ3 从 FCC‑ee 向 FCC‑hh 转型的能力与时间表，包括资源与技术里程碑？
• RQ4 与当前对撞机相比，在电弱、拓扑、味和 QCD 测量方面，FCC‑ee 能带来哪些精度的显著提升？
• RQ5 如何将美国参与和资金整合以实现全球范围的 FCC 计划？

主要发现

• FCC‑ee 可以在大多数耦合上实现亚百分比级别的精度来测量希格斯性质，并在希格斯质量上达到数 MeV 级的精度、在宽度上达到百分比级。
• 直接与间接搜索在 FCC‑ee 上将把对新物理尺度的敏感度扩展到约 7 TeV 的 HXX 耦合以及约 50 TeV 的 EW/希格斯相互作用，通过环效应和混合实现。
• FCC‑hh 将在能量范围上实现数量级的跃升，使直接搜索达到约 50 TeV 尺度，并在大数据集下对希格斯自耦合和标准模型测试进行高精度研究。
• FCC‑ee 与 FCC‑hh 计划高度协同：在 FCC‑ee 处确定的绝对耦合将为在 FCC‑hh 的绝对测量提供输入，从而实现对希格斯与拓扑的模型无关研究。
• 美国的参与与磁体/研发计划（Nb3Sn、HTS、高场磁体、射频腔）被强调为实现可行性和科学成功的关键。
• FCC 设计借鉴现有加速器知识（VEPP‑4M、DAΦNE、SuperKEKB），并面向可持续能源使用，设有多个相互作用点和 crab-waist 碰撞方案。