[논문 리뷰] High-energy frontier of the muon g-2 at a muon collider

Paride Paradisi, Olcyr Sumensari외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 카이랄리티로 강화된 기여를 가진 단순 모델에서 $μ^+\u03bc^- \to h\gamma$ 의 전체 1-루프 계산을 수행함으로써, 뮌온 g-2 이상현상과 고에너지 뮌온 컬라이더 과정 사이의 연결성을 검증한다. 이 과정는 다이테르바르스 에너지에서 새로운 물리학을 모델에 종속되지 않게 탐지할 수 있으며, 중심질량 에너지의 제곱에 비례하여 단면적이 증가한다. 또한 $2\to3$ 과정인 $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ 는 $2\to2$ 과정보다 $\Delta a_\mu$ 와 더 강한 상관관계를 보이며, 고에너지 선단에서 모델 구별이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고에너지에서의 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 가 뮌온 $g$-2 이상현상을 탐지할 수 있다는 효과적 장영이론(EFT) 예측을 검증하기 위해.
• 카이랄리티로 강화된 $\Delta a_\mu$ 기여를 가진 단순 모델에서 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 의 전체 1-루프 계산을 수행하기 위해.
• 이 과정에 대한 EFT술의 유효 범위를 다이테르바르스 에너지 스케일에서의 새로운 물리학 맥락에서 평가하기 위해.
• 직접적인 고에너지 탐색과 간접적인 $\Delta a_\mu$ 제약 조건 사이의 상호작용을 분석하여 기초적인 새로운 물리학 모델을 분리해내기 위해.
• $2\to3$ 과정들, 예를 들어 $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ 가 $2\to2$ 과정보다 뮌온 g-2 이상현상에 더 민감한 탐지 수단이 되는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 새로운 스칼라 및 벡터형 페르미온을 포함한 보존 가능한 단순 모델을 사용하며, $SU(2)_L \times U(1)_Y$ 표현에서 $Z_2$ 대칭을 유지하여 암흑물질 후보를 안정화한다.
• EFT 범위를 초월하는 모든 운동량 의존성 및 질량 의존성 기여를 포함한, $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 의 전체 일반성에서 1-루프 앰플리튜드를 계산한다.
• $2\to3$ 과정의 양력 공간은 $2\to2$ 부분 과정과 $1\to2$ 붕괴로 분해되며, 로렌츠 불변 양력 공간 매개변수화를 사용하여 중심질량 기준 및 정지 기준에서 운동역학을 평가한다.
• $2\to2$ 및 $1\to2$ 기준 간의 운동량을 연결하기 위해 $R$-행렬 변환을 사용하여 앰플리튜드 내 스칼라 곱을 일관되게 평가한다.
• 게이지, 요카다 및 4차 상호작용 상수에 대한 양자군 방정식(RGEs)을 유도하며, 각 모델에 대해 $\beta$-함수 계수를 계산하여 러닝 효과를 평가한다.
• 다양한 $\sqrt{s}$ 값에서 수치적으로 단면적을 평가하여 EFT 예측과 비교하고, EFT가 붕괴하는 에너지 스케일을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단순 모델에서의 전체 1-루프 계산이 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 단면적이 $\sqrt{s}$ 에 대해 제곱 비례함을 확인할 수 있는가?
• RQ2 이러한 모델에서 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 의 EFT술 기술이 붕괴하는 에너지 스케일은 무엇인가?
• RQ3 $2\to3$ 과정들, 예를 들어 $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ 는 $2\to2$ 과정보다 $\Delta a_\mu$ 와 어떻게 상관관계가 깊은가?
• RQ4 직접적인 고에너지 신호와 간접적인 $\Delta a_\mu$ 제약 조건의 상호작용을 통해 기초적인 새로운 물리학 모델을 유일하게 식별할 수 있는가?
• RQ5 $2\to3$ 과정들이 $2\to2$ 과정보다 뮌온 g-2 이상현상에 대해 더 견고하고 모델을 구별할 수 있는 탐지 수단이 되는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 전체 1-루프 계산은 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 단면적이 $\sqrt{s}$ 에 따라 제곱 비례로 증가함을 확인하였으며, 넓은 에너지 범위에서 EFT 예측이 검증됨을 보여준다.
• EFT술 기술은 $\Lambda \sim 10$ 테르바르스일 때 $\sqrt{s} \sim \Lambda/2$ 에서 붕괴함을 나타내며, 직접적인 콜라이더 측정이 뮌온 g-2 이상현상을 탐지할 수 있는 명확한 에너지 창을 제공한다.
• $2\to3$ 과정인 $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ 는 $2\to2$ 과정보다 $\Delta a_\mu$ 와 더 강한 상관관계를 보이며, 모델 식별에 더 우수한 탐지 수단이 된다.
• $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 과정은 고에너지에서 $\Delta a_\mu$ 를 측정하는 것과 동일시되며, 고에너지 선단과 고강도 선단 사이의 직접적인 연결 고리를 제공한다.
• $2\to3$ 과정들을 포함함으로써, 뮌온 g-2 이상현상을 설명하는 다양한 단순 모델을 더 잘 구별할 수 있는 능력이 크게 향상된다.
• 결과적으로 다이테르바르스 에너지 뮌온 컬라이더를 통해 고에너지 $\mu^+\mu^-$ 산란을 통해 뮌온 g-2 이상현상에 대한 모델에 종속되지 않은 검증이 가능하다는 것이 입증되었다.