[論文レビュー] Muon $g-2$ at multi-TeV muon collider

Wen Yin, Masahiro Yamaguchi|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、20 TeVの中心系エネルギーで、$\sim 0.1$ abの断面積を持つ、$\mathcal{O}(10)$ ab$^{-1}$の光度でテスト可能な、モデルに依存しないmuon $g-2$異常の測定法を提案している。この方法は、高エネルギーで演繍される$\mu\bar{\mu} \to h\gamma$過程を、次元6の有効オペレーターを介して調べることで、QCDの非摂動的効果に依存せずに$g-2$寄与を直接測定可能である。

ABSTRACT

The long-standing discrepancy of muon $g-2$ is a hint of new physics beyond the standard model of particle physics. In this letter we show that heavy new physics contribution can be fully tested at a muon collider with center-of-mass energy up to $O(10)\,$TeV. Even if there is no new particle in this energy range, one can measure the $g-2$ directly via the channel to a Higgs boson and a monochromatic photon.

研究の動機と目的

• 標準模型を越えた長年のmuon $g-2$異常をモデルに依存しない方法でテストすること。
• 既存の$g-2$決定においてQCDの非摂動的効果の制限を克服すること。
• 重い新しい物理や$g-2$異常を引き起こす高次元オペレーターを調べる、高エネルギー加速器ベースの手法を提案すること。
• 新しい粒子が検出不能であっても、$g-2$異常が$\mu\bar{\mu} \to h\gamma$過程を通じて直接測定可能であることを示すこと。

提案手法

• 中心系エネルギーが$\mathcal{O}(10)$ TeVに達するmuonコライダーを用い、高エネルギー$\mu\bar{\mu}$衝突を通じて$g-2$異常を調べる。
• $g-2$異常を生成する次元6の有効オペレーター$\mathcal{L}_{\text{eff}} \supset \frac{e\Delta\alpha_\mu}{4m_\mu} \bar{\mu} \sigma^{\mu\nu} F_{\mu\nu} \mu$に注目する。
• 有効オペレーターを介した$\mu\bar{\mu} \to h\gamma$の樹形階層断面積を計算し、$\sigma \sim \frac{y_\mu^2 E_{\text{cm}}^2}{M^4}$とスケーリングすることを示す。
• 高エネルギーにおいて、$\mu\bar{\mu} \to h\gamma$のSMバックグラウンドが無視できるほど小さく、20 TeVで$\sigma^{\text{SM}} \sim 0.002$ abであることを示す。
• 二つの補足的戦略を提案する：(1) ループ内での重い新しい粒子の直接生成と崩壊、(2) 共振が検出不能な場合の$h\gamma$最終状態の直接測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー加速器において、QCDの非摂動的効果に依存せずにmuon $g-2$異常をテストできるか？
• RQ2 新しい粒子が生成されない場合でも、$\mu\bar{\mu} \to h\gamma$過程を通じて$g-2$異常を調べられるか？
• RQ3 次元6のオペレーターに起因する多TeV級muonコライダーにおける$\mu\bar{\mu} \to h\gamma$断面積はどの程度か？
• RQ4 有効場理論の枠組みにおいて、$g-2$異常信号は中心系エネルギーにどのように依存するか？

主な発見

• 20 TeVの中心系エネルギーにおいて、$g-2$有効オペレーターを介した$\mu\bar{\mu} \to h\gamma$断面積は$\sim 0.1$ abに推定され、$\Delta\alpha_\mu = 2.7 \times 10^{-9}$のとき$M \sim 7.6$ TeVである。
• 断面積は$\sigma \sim 0.1$ ab $\left(\frac{E_{\text{cm}}}{20\text{ TeV}}\right)^2 \left(\frac{7.6\text{ TeV}}{M}\right)^4$とスケーリングし、$\mathcal{O}(10)$ TeVコライダーでも測定可能である。
• 20 TeVで$\sigma^{\text{SM}} \sim 0.002$ abのSMバックグラウンドは、ループ抑制により高エネルギーで無視できる。
• 新しい粒子が生成されない場合でも、$h\gamma$最終状態を通じて$g-2$異常を直接テストでき、モデルに依存しない強固な信号が得られる。
• QCDの非摂動的効果に依存しないため、$g-2$異常の明確なプローブが可能である。