[논문 리뷰] A No-Lose Theorem for Discovering the New Physics of $(g-2)_\mu$ at Muon Colliders

Rodolfo Capdevilla, David Curtin외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 83인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 (g−2)μ 비일치 현상이 확인될 경우, 뮤온 충돌기를 통한 새로운 물리학 탐색을 위한 no-lose 정리(무작위로 실패하지 않는 정리)를 수립한다: 3 테바르 뮤온 충돌기는 ∼10 기가일레크트론 이상의 질량을 가진 모든 약하게 결합된 표준모형 단일 상태 브라운-스탠드바운드(BSM) 상태를 보장적으로 탐지할 수 있으며, 30 테바르에 이르는 고에너지 충돌기는 자연스러운 MFV를 만족하는 모델에 대해 발견 또는 경험적 반증을 보장한다. 이 모델들은 ∼10 테바르 이하의 전하 상태를 포함한다.

ABSTRACT

We perform a model-exhaustive analysis of all possible beyond Standard Model (BSM) solutions to the $(g-2)_\mu$ anomaly to study production of the associated new states at future muon colliders, and formulate a no-lose theorem for the discovery of new physics if the anomaly is confirmed and weakly coupled solutions below the GeV scale are excluded. Our goal is to find the highest possible mass scale of new physics subject only to perturbative unitarity, and optionally the requirements of minimum flavour violation (MFV) and/or naturalness. We prove that a 3 TeV muon collider is guaranteed to discover all BSM scenarios in which $\Delta a_\mu$ is generated by SM singlets with masses above $\sim $ GeV; lighter singlets will be discovered by upcoming low-energy experiments. If new states with electroweak quantum numbers contribute to $(g-2)_\mu$, the minimal requirements of perturbative unitarity guarantee new charged states below $\mathcal{O}(100 { m TeV})$, but this is strongly disfavoured by stringent constraints on charged lepton flavour violating (CLFV) decays. Reasonable BSM theories that satisfy CLFV bounds by obeying Minimal Flavour Violation (MFV) and avoid generating two new hierarchy problems require the existence of at least one new charged state below $\sim 10$ TeV. This strongly motivates the construction of high-energy muon colliders, which are guaranteed to discover new physics: either by producing these new charged states directly, or by setting a strong lower bound on their mass, which would empirically prove that the universe is fine-tuned and violates the assumptions of MFV while somehow not generating large CLFVs. The former case is obviously the desired outcome, but the latter scenario would perhaps teach us even more about the universe by profoundly revising our understanding of naturalness, cosmological vacuum selection, and the SM flavour puzzle.

연구 동기 및 목표

• 퍼티브 유니타리티를 위반하지 않으면서 (g−2)μ 비일치 현상을 생성할 수 있는 최대 질량 스케일을 규명하는 것.
• 모델에 대한 포괄적인 분석 범위에서 향후 뮤온 충돌기의 탐지 가능성을 평가하는 것.
• (g−2)μ 비일치 현상이 확인될 경우, 뮤온 충돌기가 유일하게 새로운 물리학을 탐지하거나 경험적으로 반증할 수 있도록 하는 것.
• 고에너지 뮤온 충돌기에서의 탐지 실패가 초래하는 영향을 탐색하며, 이는 MFV나 자연스러움 원리 위반을 포함한다.

제안 방법

• 표준모형 단일 상태와 전자기적 다중체 상태에 초점을 맞춘 모든 BSM 시나리오에 대한 모델 포괄적 분석을 수행한다.
• 퍼티브 유니타리티 한계를 적용하여 BSM 질량 스케일의 최대치를 제약하며, MFV 및 자연스러움 원리에 따른 추가 제약 조건을 포함한다.
• 포괄적 생산 및 Bhabha 산란 신호를 사용하여 뮤온 충돌기에서의 탐지 범위를 평가한다.
• 스칼라 단일체 및 전자기적 다중체 시나리오에서의 UV 완성 및 랑도 극한을 평가하여 일관성을 점검한다.
• 전자기 라이온의 편향 위반(CLFV) 제약과 MFV 가정을 고려하여 타당한 매개변수 공간을 제한한다.
• 유니타리티, MFV, 자연스러움 제약 조건을 통합하여 보장적인 탐지 또는 반증을 예측하는 no-lose 정리를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퍼티브 유니타리티를 유지하면서 (g−2)μ 비일치 현상을 생성할 수 있는 최대 질량 스케일은 무엇인가?
• RQ2 3 테바르 뮤온 충돌기가 (g−2)μ에 기여하는 모든 표준모형 단일 상태 BSM 상태를 ∼10 기가일레크트론 이상의 질량에서 보장적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ3 MFV를 만족하고 큰 CLFV 기여를 피하는 전자기적 스케일 BSM 모델에서 새로운 전하 상태의 질량 범위는 무엇인가?
• RQ4 30 테바르 뮤온 충돌기에서 직접 생산이 관측되지 않을 경우, 자연스러움과 MFV 원리에 대한 이해는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 직접 생산이 관측되지 않을 경우, 뮤온 충돌기가 간접 신호를 통해 새로운 물리학을 탐지하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 1 ab−1 루미노시티를 가진 3 테바르 뮤온 충돌기는 (g−2)μ에 기여하는 모든 표준모형 단일 상태 BSM 상태 중 ∼10 기가일레크트론 이상의 질량을 가진 상태를 보장적으로 탐지할 수 있다.
• 0.4 ab−1 루미노시티를 가진 215 기가일레크트론 뮤온 충돌기는 포괄적 생산을 통해 2 기가일레크트론까지의 단일체를 직접 관측할 수 있고, Bhabha 산란을 통해 허용 가능한 모든 질량을 간접적으로 탐색할 수 있다.
• MFV를 만족하고 큰 CLFV 기여를 피하는 전자기적 스케일 시나리오에서는 새로운 전하 상태가 ∼10 테바르 이하에 있어야 하며, 이는 10 테바르 뮤온 충돌기의 개발을 매우 강력하게 동기화한다.
• 30 테바르 뮤온 충돌기에서 새로운 상태가 발견되지 않으면, 이는 우주가 MFV를 위반하거나 극도로 정밀조정된 상태임을 경험적으로 증명하는 것이며, 자연스러움과 편향에 대한 깊은 통찰을 제공한다.
• 직접 생산이 없더라도 30 테바르 뮤온 충돌기는 µ+µ−→hγ에서의 편차를 탐지하여, ∼100 테바르 이하의 새로운 물리학을 유니타리티 한계를 통해 확인할 수 있다.
• 고에너지 뮤온 충돌기에서 탐지되지 않는 유일한 시나리오는 MFV를 위반하거나 극도로 정밀조정이 필요한 경우뿐이며, 이는 비탐지 자체가 기본 물리학의 발견이 되는 셈이다.