[論文レビュー] A No-Lose Theorem for Discovering the New Physics of $(g-2)_\mu$ at Muon Colliders

Rodolfo Capdevilla, David Curtin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 83被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、(g−2)μの異常が確認された場合、ミューオン衝突加速器を用いた新しい物理学の発見に関して、no-lose定理を確立する。3 TeVのミューオン衝突加速器は、10 GeV以上で、標準模型（SM）単位の弱い結合状態で生成される異常をすべて保証的に発見する。一方、30 TeVまでの高エネルギー加速器は、10 TeV未塔の電荷を有する状態を有する自然でMFVを満たすモデルの発見または経騣的偽棄を保証する。

ABSTRACT

We perform a model-exhaustive analysis of all possible beyond Standard Model (BSM) solutions to the $(g-2)_\mu$ anomaly to study production of the associated new states at future muon colliders, and formulate a no-lose theorem for the discovery of new physics if the anomaly is confirmed and weakly coupled solutions below the GeV scale are excluded. Our goal is to find the highest possible mass scale of new physics subject only to perturbative unitarity, and optionally the requirements of minimum flavour violation (MFV) and/or naturalness. We prove that a 3 TeV muon collider is guaranteed to discover all BSM scenarios in which $\Delta a_\mu$ is generated by SM singlets with masses above $\sim $ GeV; lighter singlets will be discovered by upcoming low-energy experiments. If new states with electroweak quantum numbers contribute to $(g-2)_\mu$, the minimal requirements of perturbative unitarity guarantee new charged states below $\mathcal{O}(100 { m TeV})$, but this is strongly disfavoured by stringent constraints on charged lepton flavour violating (CLFV) decays. Reasonable BSM theories that satisfy CLFV bounds by obeying Minimal Flavour Violation (MFV) and avoid generating two new hierarchy problems require the existence of at least one new charged state below $\sim 10$ TeV. This strongly motivates the construction of high-energy muon colliders, which are guaranteed to discover new physics: either by producing these new charged states directly, or by setting a strong lower bound on their mass, which would empirically prove that the universe is fine-tuned and violates the assumptions of MFV while somehow not generating large CLFVs. The former case is obviously the desired outcome, but the latter scenario would perhaps teach us even more about the universe by profoundly revising our understanding of naturalness, cosmological vacuum selection, and the SM flavour puzzle.

研究の動機と目的

• 摂動的ユニタリティを破らない範囲で、(g−2)μ異常を生成できる新物理学の最大質量スケールを特定すること。
• 未来のミューオン衝突加速器の発見可能性を、モデルを網羅的にカバーするBSM状況の範囲で評価すること。
• (g−2)μ異常の確認がされた場合、ミューオン衝突加速器が新物理学を発見または経騣的に偽棄できるという独自の立場を確立すること。
• 高エネルギーミューオン衝突加速器での非発見の影響を検討し、MFVや自然性の破れを含む可能性を検討すること。

提案手法

• SM単位および電弱多重項に注目した、(g−2)μに寄与するすべてのBSM状況のモデル網羅的分析。
• MFVおよび自然性の追加制約を含め、摂動的ユニタリティの境界を適用して、BSM質量スケールの最大値を制約する。
• 包含的生成およびBhabha散乱のシグネチャを用いて、ミューオン衝突加速器における発見可能性を評価する。
• スカラー単位および電弱系のUV完全化とランダウ極を評価し、整合性を検証する。
• 電荷を有するレプトンのフレーバー不変性（CLFV）の制約とMFVの仮定を考慮し、妥当なパラメータ空間を制限する。
• ユニタリティ、MFV、自然性の制約を統合してno-lose定理を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 摂動的ユニタリティを保つ範囲で、(g−2)μ異常を生成できる新物理学の最大質量スケールは何か？
• RQ2 3 TeVのミューオン衝突加速器が、10 GeV以上のSM単位のBSM状態をすべて保証的に発見できるか？
• RQ3 MFVを満たし、大きなCLFV寄与を避ける電弱スケールのBSMモデルにおける、新規電荷状態の質量制約は何か？
• RQ4 30 TeVのミューオン衝突加速器で直接生成が観測されない場合、自然性とMFV原理に対する我々の理解にどのような影響があるか？
• RQ5 直接生成が観測されない場合、ミューオン衝突加速器が間接的シグネチャを検出する役割は何か？

主な発見

• 1 ab−1のライブネスを持つ3 TeVのミューオン衝突加速器は、10 GeV以上のSM単位のBSM状態をすべて保証的に発見する。
• 0.4 ab−1のライブネスを持つ215 GeVのミューオン衝突加速器は、包含的生成により2 GeVの単位を直接観測でき、Bhabha散乱によりすべての許容される質量を間接的に探査できる。
• MFVを満たし、大きなCLFV寄与を避ける電弱スケールの状況では、新規電荷状態は約10 TeV未満に制限され、10 TeVのミューオン衝突加速器の開発が強く動機づけられる。
• 30 TeVのミューオン衝突加速器で新規状態が生成されない場合、これは宇宙がMFVを破っているか、極端に微調整されていることを経騣的に証明する。自然性とフレーバーに関する深い洞察を提供する。
• 直接生成がない場合でも、30 TeVのミューオン衝突加速器はµ+µ−→hγにおける偏差を検出でき、ユニタリティ境界を通じて100 TeV未塔の新物理学を確認できる。
• 高エネルギーのミューオン衝突加速器で発見されない唯一の状況は、MFVを破るか、極端な微調整を要するものであり、非発見自体が根本的な物理学の発見である。