[論文レビュー] The physics case of a 3 TeV muon collider stage

Jorge De Blas, Dario Buttazzo+132 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ミューオン $g$-2 と $B$-物理学の異常に関連する新しい物理学を、フラバー非ユニフォーマルな相互作用と弱く荷電したダークマターを調べることで、3 TeV のミューオン衝突機が独自に位置づけられることを主張している。この衝突機が、$g$-2 異常を説明するすべての妥当なモデルを発見または除外できることを示し、高エネルギーにおけるレプトンフラバー違反を通じて最大1000 TeVのスケールの新しい物理学を探索できることを示しており、素粒子物理学における主要な異常を解消する「負けなしの定理」としての役割を果たす。

ABSTRACT

In the path towards a muon collider with center of mass energy of 10 TeV or more, a stage at 3 TeV emerges as an appealing option. Reviewing the physics potential of such muon collider is the main purpose of this document. In order to outline the progression of the physics performances across the stages, a few sensitivity projections for higher energy are also presented. There are many opportunities for probing new physics at a 3 TeV muon collider. Some of them are in common with the extensively documented physics case of the CLIC 3 TeV energy stage, and include measuring the Higgs trilinear coupling and testing the possible composite nature of the Higgs boson and of the top quark at the 20 TeV scale. Other opportunities are unique of a 3 TeV muon collider, and stem from the fact that muons are collided rather than electrons. This is exemplified by studying the potential to explore the microscopic origin of the current $g$-2 and $B$-physics anomalies, which are both related with muons.

研究の動機と目的

• 3 TeV のミューオン衝突機ステージが、標準模型を超える新しい物理学を調べるための重要なツールとしての物理学的根拠を確立すること。
• この衝突機が、半レプトン的または電弱シングレット相互作用を通じて異常を生成するすべての妥当なモデルをテストすることによって、ミューオン $g$-2 異常を解消できることを示すこと。
• 3 TeV の装置が弱く荷電したダークマター候補およびフラバー違反相互作用をどれだけ探査できるかを調査すること。
• 高エネルギーにおけるヒッグスおよび光子の最終状態の探索を通じて、$g$-2 異常のモデルに依存しない検証が可能であることを示すこと。
• 2030年代に予定されている直接的および間接的ダークマター探索と整合性を持たせ、潜在的な発見を迅速に追認できるようにすること。

提案手法

• 3 TeV のミューオン衝突機の高い中心系エネルギーを活用し、$B$-物理学の異常に関連するミューオンを含む有効場理論の作用素、例えば $(bs)(\mu\mu)$ を調べること。
• ミューオン対生成および光子を伴うヒッグスボソン生成の精密測定を用いて、$g$-2 異常メカニズムをテストすること。
• 高インテンシティデータ収集を実施し、欠損エネルギーおよびモノジェットのサインチャを用いて弱く荷電したダークマターを調べること。
• $\mu\to e\gamma$ および $\mu\to e$ 変換過程におけるレプトンフラバー違反の感度を活用し、新しい物理学スケールを制限すること。
• 有効場理論および簡略化モデルを用いて、3 TeV の装置の到達範囲をモデル化し、最大1000 TeVのスケールにおける新しい物理学の感度をマップすること。
• この衝突機の到達範囲を、フラバー工場および間接的ダークマター探索と比較し、補完的および相乗効果的な関係を確立すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3 TeV のミューオン衝突機は、charm クォークを含む半レプトン的相互作用や、1 GeV 以上の質量を持つ電弱シングレットを含む、$g$-2 異常を説明するすべての妥当なモデルを完全にテストできるか？
• RQ2 3 TeV のミューオン衝突機は、弱く荷電したダークマター候補に対してどの程度の感度を持ち、そのすべての候補を体系的に探査できるか？
• RQ3 ミューオン衝突機は高エネルギーでのレプトンフラバー違反をどの程度まで探査でき、フラバー工場との到達範囲を比較してどうなるか？
• RQ4 3 TeV のミューオン衝突機は、ヒッグス＋光子最終状態を通じて、$g$-2 異常のモデルに依存しない検証を提供できるか？
• RQ5 3 TeV のミューオン衝突機のタイムラインは、2030年代に予定されている直接的および間接的ダークマター探索とどのように整合するか？潜在的な発見の迅速な確認を可能にするか？

主な発見

• 3 TeV のミューオン衝突機は、charm クォークを含む半レプトン的相互作用、または1 GeV 以上の質量を持つ電弱シングレットを含む、ミューオン $g$-2 異常を生成するすべての妥当なモデルをテストできる。
• この衝突機は、レプトンフラバー違反の新しい物理学スケールを最大1000 TeVまで探査でき、一部のフラワー工場の到達範囲と同等またはそれを上回る。
• 「悪夢のシナリオ」、つまり $(bs)(\mu\mu)$ 作用素のみが数10 TeV のスケールにある場合でさえ、7 TeV のミューオン衝突機がパラメータ空間を完全にテストできる。
• 3 TeV のミューオン衝突機は、電弱シングレットやベクトル型フェルミオンを含む、$g$-2 異常の理論的に妥当なすべての解決策を発見または除外できる。
• 新しい物理学が $\mathcal{O}(100\ \text{TeV})$ スケールで新たな階層問題を引き起こす場合でさえ、30 TeV のミューオン衝突機はヒッグス＋光子チャンネルで信号を検出できる。
• この衝突機は、弱く荷電したダークマター候補を体系的かつ包括的に探査する唯一の道筋を提供し、多くの候補はすでに 3 TeV ステージで到達可能である。