[논문 리뷰] The physics case of a 3 TeV muon collider stage

Jorge De Blas, Dario Buttazzo외 132명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 3 TeV 뮤온 충돌기 단계가 뮤온 $g$-2와 $B$-물리 이상 현상과 관련된 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해 풍미 비일관성 상호작용과 약하게 충전된 암흑물질을 조사함으로써 유일하게 위치를 차지하고 있다고 주장한다. 이는 그러한 충돌기가 $g$-2 이상 현상에 설명 가능한 모든 타당한 모델을 발견하거나 배제할 수 있음을 보여주며, 고에너지 렙톤 풍미 위반을 통해 최대 1000 TeV의 새로운 물리 스케일을 탐색할 수 있음을 보여주며, 입자물리학의 핵심 이상 현상들을 해결하는 데 있어 '이득이 없는 전략'을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색하는 데 핵심 도구가 되는 3 TeV 뮤온 충돌기 단계의 물리적 근거를 확립하기 위해.
• 반세미 렙톤 또는 전자기 단일 상태 상호작용를 통해 이상 현상의 원인이 되는 모든 타당한 모델을 테스트함으로써 뮤온 $g$-2 이상 현상을 해결할 수 있음을 보여주기 위해.
• 약하게 충전된 암흑물질 후보와 풍미 위반 상호작용을 탐색하는 데 있어 3 TeV 기계의 탐색 범위를 탐구하기 위해.
• 고에너지 힉스 보존과 광자 채널 탐색을 통해 $g$-2 이상 현상의 모델 독립적 검증을 제공할 수 있음을 보여주기 위해.
• 2030년대에 예정된 직접적·간접적 암흑물질 탐색과의 일정을 맞추어 잠재적 발견에 대한 신속한 후속 조치를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• B-물리 이상 현상과 관련된 뮤온을 포함하는 효과적 장 이론 연산자, 예를 들어 $(bs)(\mu\mu)$ 등을 탐색하기 위해 3 TeV 뮤온 충돌기의 고중심질량 에너지를 활용하기 위해.
• 뮤온 쌍 생성 및 광자와 함께 힉스 보존 생성의 정밀 측정을 통해 $g$-2 이상 현상 메커니즘을 테스트하기 위해.
• 약하게 충전된 암흑물질을 빠짐 에너지 및 단일 제트 서명을 통해 탐색하기 위해 고광도 데이터 수집을 구현하기 위해.
• 뮤온에서 전자 및 광자($\mu\to e\gamma$) 또는 뮤온에서 전자 전환($\mu\to e$ 변환) 과정에서의 렙톤 풍미 위반에 대한 감도를 활용하여 새로운 물리 스케일을 제약하기 위해.
• 효과적 장 이론과 단순화된 모델을 사용하여 3 TeV 기계의 탐색 범위를 모델링하여 최대 1000 TeV의 새로운 물리 스케일에 대한 감도를 매핑하기 위해.
• 풍미 팩토리와 간접적 암흑물질 탐색의 탐색 범위와 비교하여 상호보완성과 시너지를 확립하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3 TeV 뮤온 충돌기는 쿼크나 전자기 단일 상태 상호작용를 포함하는 반세미 렙톤 또는 전자기 단일 상태 상호작용를 통해 $g$-2 이상 현상의 원인이 되는 모든 타당한 모델을 완전히 테스트할 수 있는가?
• RQ2 3 TeV 뮤온 충돌기는 약하게 충전된 암흑물질 후보에 대해 어떤 감도를 가지며, 이러한 후보들의 전체 목록을 체계적으로 탐색할 수 있는가?
• RQ3 뮤온 충돌기는 어떤 정도까지 고에너지에서 렙톤 풍미 위반을 탐색할 수 있으며, 풍미 팩토리와의 탐색 범위를 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 3 TeV 뮤온 충돌기는 힉스 보존과 광자 최종 상태를 통해 $g$-2 이상 현상의 모델 독립적 검증을 제공할 수 있는가?
• RQ5 3 TeV 뮤온 충돌기의 일정은 향후 예정된 직접적·간접적 암흑물질 탐색과 어떻게 일치하는가? 잠재적 발견에 대한 빠른 확인을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 3 TeV 뮤온 충돌기는 1 GeV 이상의 질량을 가진 쿼크나 전자기 단일 상태 상호작용를 포함하는 반세미 렙톤 상호작용를 통해 $g$-2 이상 현상이 발생하는 모든 타당한 모델을 테스트할 수 있다.
• 충돌기는 렙톤 풍미 위반에 대해 최대 1000 TeV의 새로운 물리 스케일을 탐색할 수 있으며, 일부 풍미 팩토리의 탐색 범위를 충족하거나 초월할 수 있다.
• 오직 $(bs)(\mu\mu)$ 연산자만 존재하는 '악몽 시나리오'에서도 7 TeV 뮤온 충돌기는 매개변수 공간을 완전히 테스트할 수 있다.
• 3 TeV 뮤온 충돌기는 전자기 단일 상태 또는 벡터형 페르미온을 포함하는 $g$-2 이상 현상의 모든 이론적으로 타당한 해결책을 발견하거나 배제할 수 있다.
• 새로운 물리가 $\mathcal{O}(100\ \text{TeV})$ 스케일에서 새로운 계층 문제를 유도하는 경우, 30 TeV 뮤온 충돌기조차도 힉스 보존과 광자 채널에서 신호를 탐지할 수 있다.
• 충돌기는 약하게 충전된 모든 암흑물질 후보를 체계적으로 탐색할 수 있는 고유한 길을 제공하며, 많은 후보들은 3 TeV 단계에서 이미 탐색 가능하다.