[논문 리뷰] Probing the muon g-2 anomaly at a Muon Collider

Dario Buttazzo, Paride Paradisi|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 몇 테바르의 중심질량 에너지를 가진 뮤온 컬라이더가 뮤온 g-2 이상 현상에 기여하는 새로운 물리학의 모델에 의존하지 않는 고에너지 테스트를 수행할 수 있음을 보여주며, 약 수 ×10⁻⁹ 수준의 편차에도 감지할 수 있다. 또한 뮤온 전기 dipole moment에 대한 현재의 제약을 세 개의 주자만큼 향상시켜 약 수 ×10⁻²² e·cm 수준에 도달할 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

The capability of a foreseen Muon Collider to probe the muon $g$-2 is systematically investigated. We demonstrate that a Muon Collider, running at center-of-mass energies of several TeV, can provide the first model-independent high-energy test of new physics in the muon $g$-2, being sensitive to deviations of few x 10^-9. This achievement would be of the utmost importance to shed light on the long-standing muon $g$-2 anomaly. Furthermore, we show that the current bound on the muon electric dipole moment can be improved by three orders of magnitude, down to few x 10^-22 e cm.

연구 동기 및 목표

• 미래의 뮤온 컬라이더가 뮤온 g-2 이상 현상에 대해 고정밀도로 탐색할 수 있는 능력을 조사하는 것.
• 이 컬라이더가 고에너지에서 뮤온 g-2에 기여하는 새로운 물리학 기여에 대해 모델에 의존하지 않는 테스트를 제공할 수 있는지 평가하는 것.
• 뮤온 전기 dipole moment(EDM)에 대한 실험적 제약을 뮤온 컬라이더를 통해 얼마나 향상시킬 수 있는지 평가하는 것.
• 표준모형을 초월한 뮤온 g-2에서 새로운 물리학 효과를 탐지할 수 있는 감도 임계값을 결정하는 것.

제안 방법

• 몇 테바르 범위의 중심질량 에너지를 가진 뮤온 컬라이더를 활용하여 뮤온을 포함한 고에너지 과정을 탐색하는 것.
• 표준모형 예측에서의 편차를 탐지하기 위해 콜라이더 환경에서 뮤온 자석모멘트(g-2)의 정밀 측정을 적용하는 것.
• 희귀하거나 약하게 결합된 새로운 물리학 기여에 대한 감도를 향상시키기 위해 고광도 뮤온 충돌을 활용하는 것.
• 고정밀도로 뮤온 g-2를 측정하고 뮤온 EDM를 제약하기 위해 고급 검출 기술을 구현하는 것.
• 이론적 프레임워크를 사용하여 콜라이더 데이터를 새로운 물리학에 대한 모델에 의존하지 않는 제약 조건으로 해석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뮤온 컬라이더는 고에너지에서 뮤온 g-2에 기여하는 새로운 물리학에 대해 모델에 의존하지 않는 테스트를 제공할 수 있는가?
• RQ2 뮤온 컬라이더는 뮤온 g-2의 편차에 대해 어떤 감도 임계값을 가지며, 현재의 이상 현상을 해결할 수 있는가?
• RQ3 뮤온 컬라이더는 뮤온 전기 dipole moment에 대한 실험적 제약을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 뮤온 컬라이더에서의 고에너지 뮤온 충돌은 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 탐지에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 뮤온 컬라이더는 약 수 ×10⁻⁹ 수준의 편차에 대해 감도를 가지며, 새로운 물리학에 대한 모델에 의존하지 않는 테스트를 가능하게 한다.
• 이 컬라이더는 현재의 뮤온 전기 dipole moment 제약을 세 개의 주자만큼 향상시켜 약 수 ×10⁻²² e·cm 수준에 도달할 수 있다.
• 달 đạt된 감도 덕분에 뮤온 g-2 이상 현상에 대해 처음으로 고에너지에서 모델에 의존하지 않는 확인 또는 반증이 가능해진다.
• 결과는 뮤온 g-2에서 오랫동안 지속된 불일치를 뮤온 컬라이더가 사상적인 정밀도로 해결할 수 있음을 시사한다.