[論文レビュー] High-energy frontier of the muon g-2 at a muon collider

Paride Paradisi, Olcyr Sumensari+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、チラルに強化された $\Delta a_\mu$ 捐贈を持つ簡略化モデルにおける $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ の完全な1ループ計算を実施し、ミューオン $g$-2 異常と高エネルギー領域のミューオン衝突生成過程との間の関係を検証する。この過程が、マルチTeVエネルギー領域における新しい物理をモデルに依存しない方法で探査可能であることを確認し、中心座標系エネルギーの二乗に比例する断面積を示す。また、$2\to3$ の過程、例えば $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ が $2\to2$ の過程よりも $\Delta a_\mu$ と強く相関しており、高エネルギー先端におけるモデルの識別が可能であることを示している。

ABSTRACT

The long-standing muon g-2 anomaly can be explained by heavy new physics particles through chirally enhanced contributions. It has been recently proposed that a muon collider running at center-of-mass energies of several TeV could test these new physics scenarios in a model-independent way, through the study of high-energy processes such as mu+ mu- --> h gamma. In this work, we validate these findings, based on effective field theories, by considering selected renormalizable simplified models and by computing this one-loop process in full generality. Furthermore, we explore the interplay of direct and indirect high-energy searches to pin down the details of the underlying new physics model accommodating the muon g-2 anomaly.

研究の動機と目的

• 高エネルギー領域における $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ の有効場理論（EFT）予測が、ミューオン $g$-2 異常を探査できることを検証すること。
• チラルに強化された $\Delta a_\mu$ 捐贈を持つ簡略化モデルにおいて、$\mu^+\mu^- \to h\gamma$ の完全な1ループ計算を実施すること。
• マルチTeVスケールの新しい物理の文脈において、この過程のEFT記述の有効範囲を評価すること。
• 直接的な高エネルギー探索と間接的な $\Delta a_\mu$ 制約の相乗効果を検討し、背後にある新しい物理モデルを解明すること。
• $2\to3$ の過程、例えば $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ が $2\to2$ の過程よりも $g$-2 異常の探査に優れていることを見出すこと。

提案手法

• 新しいスカラーおよびフェルミオンを含む、$SU(2)_L \times U(1)_Y$ の表現を持つ、可 renormalizable な簡略化モデルを用い、ダークマター候補を安定化する $Z_2$ 対称性を保持する。
• EFTの範囲外のすべての運動量依存および質量依存寄与を含め、$\mu^+\mu^- \to h\gamma$ の1ループ振幅を一般に計算する。
• $2\to3$ の過程の位相空間を、$2\to2$ の部分過程と $1\to2$ の崩壊に分解し、ローレンツ不変な位相空間パrametrization を用いて、中心座標系および静止座標系の両方で運動学的解析を行う。
• $2\to2$ と $1\to2$ のフレーム間の運動量を結ぶ $R$-行列変換を用い、振幅内でのスカラー積を一貫して評価可能にする。
• ゲージ、ヤコビ、四スカラー結合定数のためのランゲージ群方程式（RGE）を導出し、各モデルにおける $\beta$-関数係数を計算して、結合定数の走破効果を評価する。
• EFT予測との比較と、EFTの破綻するエネルギースケールを特定するために、$\sqrt{s}$ のさまざまな値で断面積を数値的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全な1ループ計算により、$\mu^+\mu^- \to h\gamma$ の断面積が $\sqrt{s}$ に比例して二乗的に増加するEFT予測が、簡略化モデルで確認できるか？
• RQ2 これらのモデルにおいて、$\mu^+\mu^- \to h\gamma$ のEFT記述が、どのエネルギースケールで無効になるか？
• RQ3 $2\to3$ の過程、例えば $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ が $2\to2$ の過程よりも $\Delta a_\mu$ とどの程度相関しているか？
• RQ4 直接的な高エネルギー信号と間接的な $\Delta a_\mu$ 制約の相乗効果により、背後にある新しい物理モデルを一意に特定できるか？
• RQ5 $2\to3$ の過程が、$2\to2$ の過程よりも、ミューオン $g$-2 異常の探査において、どの程度より強固でモデル識別に優れたプローブであるか？

主な発見

• 完全な1ループ計算により、$\mu^+\mu^- \to h\gamma$ の断面積が $\sqrt{s}$ に比例して二乗的に増加することが確認され、EFT予測が広いエネルギー範囲で成立することが裏付けられた。
• EFT記述は $\Lambda \sim 10$ TeV の場合、$\sqrt{s} \sim \Lambda/2$ で破綻することが示され、直接的な衝突実験で $g$-2 異常を探査できる明確なエネルギー領域が存在することが示された。
• $2\to3$ の過程 $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ は $2\to2$ の過程よりも $\Delta a_\mu$ と強く相関しており、モデル識別に優れたプローブであることが判明した。
• $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ は高エネルギー領域で $\Delta a_\mu$ を直接測定することと同等であり、高エネルギー領域と高強度領域の間の直接的なリンクを提供することが示された。
• $2\to3$ の過程を組み込むことで、$g$-2 異常を説明する異なる簡略化モデルを区別する能力が著しく向上した。
• 本研究の結果により、マルチTeVスケールのミューオン衝突装置が、高エネルギー領域での $\mu^+\mu^-$ 散乱を通じて、ミューオン $g$-2 異常をモデルに依存しない方法で検証可能であることが示された。