[논문 리뷰] Probing New Physics with $μ^+ μ^- o bs$ at a Muon Collider

Wolfgang Altmannshofer, Sri Aditya Gadam외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 26.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 높은 에너지의 뮤온 충돌기를 사용하여 $\mu^+\mu^- \to bs$ 과정을 통해 새로운 물리학을 탐색하는 것을 제안하며, 모든 차수-6 사 Fermion 접촉 상호작용을 분석한다. 앞으로-뒤로 비대칭성이 뮤온의 편광을 통해 새로운 물리학의 편극성을 진단할 수 있음을 보여주며, 신호가 없더라도 10 테바볼트 뮤온 충돌기는 100 테바볼트 이론 스케일까지 새로운 물리학을 탐색할 수 있다. 빔 편광은 감도를 향상시킨다.

ABSTRACT

We show that bottom-strange production at a high-energy muon collider, $μ^+ μ^- o b s$, is a sensitive probe of new physics. We consider the full set of four-fermion contact interactions that contribute to this process at dimension 6, and discuss the complementarity of a muon collider and of the study of rare $B$ meson decays that also probe said new physics. If a signal were to be found at a muon collider, the forward-backward asymmetry of the $b$-jet provides diagnostics about the underlying chirality structure of the new physics. In the absence of a signal at a center of mass energy of $10$~TeV, $μ^+ μ^- o b s$ can indirectly probe new physics at scales close to $100$~TeV. We also discuss the impact that beam polarization has on the muon collider sensitivity performance.

연구 동기 및 목표

• 뮤온 충돌기가 $\mu^+\mu^- \to bs$ 과정에서 새로운 물리학을 탐색할 잠재력을 조사하는 것.
• $\mu^+\mu^- \to bs$에 기여하는 전체 차수-6 사 Fermion 접촉 상호작용 세트를 분석하는 것.
• 레프톤-플레버 유니버설 및 뮤온 특화 새로운 물리학을 탐색하는 데 있어 뮤온 충돌기와 희귀 B 메손 붕괴의 감도를 비교하는 것.
• 빔 편광이 감도 및 배경 억제에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 신호가 없을 경우 10 테바볼트 뮤온 충돌기가 100 테바볼트 이론 스케일까지 새로운 물리학 스케일을 탐색할 수 있는 범위를 추정하는 것.

제안 방법

• 연구는 높은 스케일에서의 새로운 물리학 기여를 기술하기 위해 차수-6 사 Fermion 연산자를 사용하는 효과적 해밀토니안 프레임워크를 사용한다.
• b, s 및 $\mu^+\mu^-$를 포함한 모든 최고차수의 사 Fermion 접촉 상호작용을 포함하며, 다양한 편극성을 가진 벡터, 스칼라, 텐서 전류를 수반한다.
• 고에너지 스케일인 $\sqrt{s} = 10$ 테바볼트에서 b-쿼크 질량 스케일까지 QCD 및 전자약력 양자역학의 유도군 실행을 통해 윌슨 계수의 재규격화를 고려한다.
• 모든 연산자 세트를 사용하여 $\mu^+\mu^- \to bs$의 미분 단면적을 평가하며, 편광된 뮤온 빔의 영향을 포함한다.
• 배경은 잘못 식별된 이제트 및 불가피한 표준모형 과정으로 모델링되며, 운동량 및 각도 분포를 통해 신호와 배경을 구분하는 데 중점을 둔다.
• 신호의 유의도와 기대한 한계를 사용하여 감도 예측을 계산하며, 뮤온 충돌기의 탐색 능력과 LHC에서의 희귀 B 붕괴의 성능를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뮤온 충돌기는 $\mu^+\mu^- \to bs$ 과정을 통해 LHC의 탐색 한계를 초월하는 새로운 물리학 스케일을 탐색할 수 있는가?
• RQ2 b-제트의 앞으로-뒤로 비대칭성은 새로운 물리학 쌍용의 편극성 구조를 어떻게 진단하는가?
• RQ3 10 테바볼트 뮤온 충돌기에서 $\mu^+\mu^- \to bs$ 과정에서 신호가 없을 경우 새로운 물리학에 대한 감도는 어떠한가?
• RQ4 빔 편광은 뮤온 충돌기에서 발견 가능성과 배경 분리 능력을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 최근 LHCb에서 $R_K$ 및 $R_{K^*}$에 대한 업데이트 이후, 뮤온 충돌기의 제약 조건은 희귀 B 붕괴와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• b-제트의 앞으로-뒤로 비대칭성은 $\mu^+\mu^- \to bs$에서 새로운 물리학 쌍용의 편극성 구조를 직접 진단할 수 있는 도구를 제공한다.
• 신호가 $\sqrt{s} = 10$ 테바볼트에서 관측되지 않을 경우, 뮤온 충돌기는 약 100 테바볼트 이론 스케일까지 새로운 물리학 스케일을 탐색할 수 있다.
• 빔 편광은 감도를 크게 향상시키며, 신호와 배경을 구분하고 특정 새로운 물리학 모델을 탐색하는 데 능력을 높인다.
• 뮤온 충돌기는 렙톤-플레버 유니버설 새로운 물리학에 대한 감도가 희귀 B 붕괴 측정과 경쟁 가능하며 상호보완적이다.
• 최근 LHCb에서 $R_K$ 및 $R_{K^*}$에 대한 업데이트 이후, 전체 피팅 결과는 b→sμμ 비정상성에 대해 렙톤-플레버 유니버설 4-페르미온 접촉 상호작용으로 일관된 설명을 지지한다.
• 윌슨 계수의 재규격화 그룹 실행은 고에너지와 저에너지 스케일 간에 작은 비율(5–10%)의 변화를 유도하며, 정확성을 위해 이를 포함시켰다.