[논문 리뷰] Muon $g-2$ at multi-TeV muon collider

Wen Yin, Masahiro Yamaguchi|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 테르아이언 뮤온 컬라이더에서 차원 6 유효 연산자를 통한 $\mu\bar{\mu} \to h\gamma$ 과정을 조사하여, 모델에 종속되지 않는 뮤온 $g-2$ 비정상성의 테스트를 제안한다. 이 연산자의 구조로 인해 고에너지에서 단면적은 증폭되며, 이는 QCD 비파erturbative 효과에 의존하지 않고 $g-2$ 기여를 직접 측정할 수 있게 한다. 이 방법은 배경이 억제된 강력한 신호를 제공하며, 20 테르아이언 중심질량 에너지에서 단면적이 약 $\sim 0.1$ ab로 예상되며, 약 $\mathcal{O}(10)$ ab$^{-1}$의 루미너스로 검증 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 오랫동안 지속된 뮤온 $g-2$ 비정상성에 대한 모델에 종속되지 않는 테스트를 제공하기 위해.
• 기존의 $g-2$ 결정에서 QCD 비파erturbative 효과의 제한을 극복하기 위해.
• 높은 에너지의 충돌기 기반 방법을 제안하여 $g-2$ 비정상성의 원인이 되는 높은 질량의 새로운 물리나 고차원 연산자를 탐색하기 위해.
• 새로운 입자가 탐지 가능하지 않더라도 $g-2$ 비정상성이 직접적으로 $\mu\bar{\mu} \to h\gamma$ 과정를 통해 측정될 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 중심질량 에너지가 $\mathcal{O}(10)$ 테르아이언에 이르는 뮤온 컬라이더를 활용하여 고에너지 $\mu\bar{\mu}$ 충돌을 통해 $g-2$ 비정상성을 탐색한다.
• 표준모형에서 $g-2$ 비정상성을 생성하는 차원 6 유효 연산자 $\mathcal{L}_{\text{eff}} \supset \frac{e\Delta\alpha_\mu}{4m_\mu} \bar{\mu} \sigma^{\mu\nu} F_{\mu\nu} \mu$ 에 초점을 맞춘다.
• 유효 연산자를 통한 $\mu\bar{\mu} \to h\gamma$ 의 수준 1 단면적을 계산하며, 이는 $\sigma \sim \frac{y_\mu^2 E_{\text{cm}}^2}{M^4}$ 와 같이 스케일링됨을 보여준다.
• 고에너지에서 $\mu\bar{\mu} \to h\gamma$ 의 표준모형 배경이 극히 미미하며, 20 테르아이언에서 $\sigma^{\text{SM}} \sim 0.002$ ab 임을 입증한다.
• 두 가지 상호보완적인 전략을 제안한다: (1) 고리 내에서 높은 질량의 새로운 입자의 직접 생성 및 붕괴, (2) 공명이 탐지 가능하지 않다면 $h\gamma$ 최종 상태의 직접 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 충돌기에서 QCD 비파erturbative 효과에 종속되지 않고 뮤온 $g-2$ 비정상성을 테스트할 수 있는가?
• RQ2 새로운 입자가 생성되지 않더라도 $\mu\bar{\mu} \to h\gamma$ 과정로 $g-2$ 비정상성을 탐색할 수 있는가?
• RQ3 다이아몬드 테르아이언 뮤온 컬라이더에서 차원 6 연산자로 인해 $\mu\bar{\mu} \to h\gamma$ 의 기대 단면적은 얼마인가?
• RQ4 유효장이론 프레임워크에서 $g-2$ 비정상성 신호는 중심질량 에너지에 따라 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 차원 6 유효 연산자를 통한 $\mu\bar{\mu} \to h\gamma$ 단면적은 $E_{\text{cm}} = 20$ 테르아이언에서 약 $\sim 0.1$ ab로 추정되며, $\Delta\alpha_\mu = 2.7 \times 10^{-9}$ 일 때 $M \sim 7.6$ 테르아이언이다.
• 단면적은 $\sigma \sim 0.1$ ab $\left(\frac{E_{\text{cm}}}{20\text{ TeV}}\right)^2 \left(\frac{7.6\text{ TeV}}{M}\right)^4$ 와 같이 스케일링되며, 이는 $\mathcal{O}(10)$ 테르아이언 컬라이더에서 측정 가능하다.
• 표준모형 배경은 고에너지에서 극히 미미하며, 20 테르아이언에서 $\sigma^{\text{SM}} \sim 0.002$ ab 이며, 이는 고리 억제로 인한 것이다.
• 새로운 입자가 생성되지 않더라도 $g-2$ 비정상성은 $h\gamma$ 최종 상태를 통해 직접 테스트 가능하며, 이는 강력하고 모델에 종속되지 않은 신호를 제공한다.
• 이 방법은 QCD 비파erturbative 효과에 의존하지 않으며, $g-2$ 비정상성의 깔끔한 탐색 수단을 제공한다.