[论文解读] The Future of US Particle Physics -- The Snowmass 2021 Energy Frontier Report

M. Narain, Laura Reina+33 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2022

Interdisciplinary Research and Collaboration被引用 11

一句话总结

Snowmass 2021 能量前沿报告概述了美国粒子物理学的战略路线图，倡导采用双轨方法：在高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）和未来多TeV对撞机（如 ILC、FCC-ee 和缪子对撞机）上进行高精度测量，以探索标准模型之外的新物理。报告强调需要协调研发、国际合作以及持续投资于理论和探测器技术，以实现前所未有的实验精度，并在10 TeV量级及更高能量尺度上发现新物理。

ABSTRACT

This report, as part of the 2021 Snowmass Process, summarizes the current status of collider physics at the Energy Frontier, the broad and exciting future prospects identified for the Energy Frontier, the challenges and needs of future experiments, and indicates high priority research areas.

研究动机与目标

• 通过下一代对撞机的开发，确立美国在高能粒子物理学领域的长期领导地位。
• 通过结合能量覆盖范围和高精度测量，回答标准模型之外新物理的根本性问题。
• 指导美国对下一代对撞机项目研发的投资，包括希格斯工厂、缪子对撞机以及多TeV e+e− 和 pp 对撞机。
• 加强美国在国际未来对撞机项目中的作用，包括选址和成本分担框架。
• 确保理论和计算进步与实验进展保持同步，特别是在有效场论（EFT）、蒙特卡洛模拟和高阶微扰计算方面。

提出的方法

• 提出双轨策略：在高亮度大型强子对撞机和未来对撞机上进行高精度测量，以及在多TeV能量尺度上开展直接搜索。
• 基于技术可行性、时间表和成本估算，评估多种未来对撞机选项，包括 ILC、CLIC、FCC-ee、CEPC、CCC、缪子对撞机和 SppC。
• 使用详细的研发和建设时间表（例如，CCC 为 2024–2028 年，3 TeV 缪子对撞机为 2038–2045 年）来指导分阶段投资规划。
• 整合有效场论（EFT）、SMEFT 全局拟合和量子场论模型构建方面的理论进展，以增强对新物理信号的敏感度。
• 依赖蒙特卡洛模拟和高阶量子色动力学（QCD）计算，以匹配未来实验数据的精度。
• 建议协调推进探测器研发、模拟和数据分析基础设施的研发投资，以支持未来的对撞机计划。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些未来对撞机选项最有可能在 10 TeV 量级及更高能量尺度上探测新物理？
• RQ2 对希格斯玻色子和顶夸克性质的高精度测量如何揭示标准模型之外新物理的间接证据？
• RQ3 美国参与国际未来对撞机项目的最佳路径是什么，包括选址和成本分担模式？
• RQ4 理论和计算工具如何与下一代对撞机实验的精度要求保持同步？
• RQ5 希格斯工厂和缪子对撞机在拓展能量前沿和检验新物理模型方面发挥什么作用？

主要发现

• 高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）及其升级对于维持美国的物理研究计划至关重要，并可实现对希格斯玻色子和顶夸克性质的高精度测量。
• 未来 e+e− 对撞机如 FCC-ee 和 ILC 预计将在 2033 至 2048 年间运行，其中 CEPC 建设最早可于 2026 年启动，ILC 于 2028 年启动。
• 3 TeV 缪子对撞机预计于 2038 年开始建设，2045 年投入运行，成本估算为 70 亿至 120 亿美元。
• 建议从 2024 年起启动冷却铜对撞机（CCC）希格斯工厂的研发，到 2028 年前投入 1 亿美元资金。
• FCC-hh（质子-质子对撞机）预计于 2063 年开始建设，2074 年投入运行，成本为 300 亿至 500 亿美元。
• 鼓励美国寻求国内建设未来对撞机的选址，其中 HE CLIC（3 TeV）和缪子对撞机（10 TeV）分别建议于 2042 年和 2040 年启动建设。