[論文レビュー] Axion-Like Particles at High Energy Muon Colliders -- A White paper for Snowmass 2021

Tao Han, Tong Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、高エネルギーのミューオン衝突機における重いアキソン様粒子（ALPs）の発見可能性を調査し、このような衝突機が運動限界（例：3–10 TeV）までALP質量を探索できることを示している。また、$10^{-2}~{\rm TeV}^{-1}$の低結合定数に対しても感度を有し、クリアな最終状態と関連するミューオンのタグ付き検出により、ALPの結合定数とCP量子数を明確に特定可能である。

ABSTRACT

We study the discovery potential for heavy axion-like particles (ALPs) and the perspectives for determining their coupling properties at a muon collider. Focusing on their couplings to the Standard Model (SM) gauge bosons $γ, Z, W^\pm$, we show that a high-energy muon collider can substantially extend the mass coverage, essentially reaching the kinematic limit of the collider energy. The unique kinematics allow for non-ambiguous determination of the individual coupling strengths. The associated production via $μ^+μ^-$ annihilation and the VBF processes with the tagged outgoing muons can be utilized to verify the CP property of the ALPs. We illustrate our results for a muon collider running at 3 TeV and 10 TeV.

研究の動機と目的

• 将来の高エネルギーのミューオン衝突機における重いアキソン様粒子（ALPs）の発見可能性を評価すること。
• SMゲージボソン（$\gamma, Z, W^{\pm}$）とのALP結合定数に対するミューオン衝突機の感度を広い質量範囲で評価すること。
• $\mu^+\mu^- \to Za$および$\mu^+\mu^- \to \mu^+\mu^- a$過程における角度相関を用いて、ALPのCP量子数を決定すること。
• ALP検出に向けた関連生成とベクトルボソン融合（VBF）過程の有効性を比較すること。
• レプトン衝突の明確な運動学的性質に起因して、ALPの$\gamma$, $Z$, $W^{\pm}$への個々の結合定数を独立に測定可能かどうかを確立すること。

提案手法

• ALPとSMゲージボソンの結合を、$C_{\tilde{W}}, C_{\tilde{B}}$, および $C_{\tilde{W}B}$結合を用いて一般化された有効場理論フレームワークでパラメータ化する。
• $\mu^+\mu^- \to Za$, $\gamma\gamma$融合、およびタグ付き最終状態ミューオンを伴うVBF過程の信号断面積を計算する。
• 信号対背景比を向上させるために、$m_{\mu^+\mu^-} > 200$ GeVおよび$|m_{\gamma\gamma} - m_a|/m_a < 5\%$の運動学的カットを適用する。
• バックグラウンドは、$\mu^+\mu^- \to \gamma\gamma\gamma$, $Z\gamma\gamma$, $\gamma\gamma$に初期状態放射（ISR）を含む、および$\mu^+\mu^- \to \mu^+\mu^-\gamma\gamma$としてモデル化する。
• CP性質は、$Z$ボソンの生成と崩壊平面の間の方位角角$\phi_{\ell\ell}$を用いて調べられ、CP奇性（ALP）とCP偶性（ヒッグス）スカラーで異なる角度分布を示す。
• $\sqrt{s} = 3$ TeVおよび$10$ TeVで、それぞれ$1$および$10~{\rm ab}^{-1}$の統合した光度を想定して感度予測を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーのミューオン衝突機は、衝突エネルギー中心系質量に近いALP質量を探索可能か？
• RQ2 $m_a \sim 1$ TeVのALPに対して、$C_{\tilde{W}}/f_a$および$C_{\tilde{B}}/f_a$の結合定数に対するミューオン衝突機の感度はいかほどか？
• RQ3 $Za$および$\mu^+\mu^- a$最終状態における角度相関を用いて、ミューオン衝突機でALPのCP量子数を明確に特定可能か？
• RQ4 ALP検出において、関連生成（$\mu^+\mu^- \to Za$）とベクトルボソン融合（VBF）過程の感度はどのように比較されるか？
• RQ5 ミューオン衝突機のクリアな環境により、$\gamma$, $Z$, $W^{\pm}$へのALP結合定数を個別に独立して決定可能か？

主な発見

• $\gamma\gamma$融合過程は、$U(1)_Y$結合が抑制されていない限り、ALP生成の主因を占める。
• ALP質量は衝突機エネルギーの運動限界まで探索可能であり、$\sqrt{s} = 3$ TeVおよび$10$ TeVではそれぞれ3 TeVおよび10 TeVに達する。
• $m_a = 1$ TeVの場合、$\sqrt{s} = 3$ TeVで$|C_{\tilde{B}}|/f_a$の結合定数は$10^{-2}~{\rm TeV}^{-1}$まで、$\sqrt{s} = 10$ TeVでは$10^{-3}~{\rm TeV}^{-1}$まで探査可能である。
• $\sqrt{s} = 3$ TeVで$m_a \gtrsim 700$ GeVの場合、関連生成$\mu^+\mu^- \to Za$の断面積はVBF過程を上回る。
• CP性質は、$\mu^+\mu^- \to Za \to \ell^+\ell^- a$における$\phi_{\ell\ell}$の角度分布を用いて特定可能であり、CP奇性スカラーは$\cos 2\phi_{\ell\ell}$に依存する明確な依存性を示す。
• VBF過程におけるタグ付き最終状態ミューオン（$\mu^+\mu^- \to \mu^+\mu^- a$）は、CP性質の特定にクリアなシグネチャを提供し、CP偶性では平坦な分布、CP奇性では変調された分布を示す。