[논문 리뷰] Axion-Like Particles at High Energy Muon Colliders -- A White paper for Snowmass 2021

Tao Han, Tong Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 10.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 뮤온 충돌기에서 무거운 아키온-유사 입자(ALPs)의 탐지 가능성을 조사하며, 이러한 충돌기가 기하학적 한계(예: 3–10 테바르드)까지 ALP 질량을 탐지할 수 있음을 보여주며, 결합 강도가 $10^{-2}~{\rm TeV}^{-1}$ 수준까지 민감도를 확보할 수 있음을 입증한다. 또한 청소된 최종 상태와 관련된 및 벡터 보손 융합 과정에서 태그된 뮤온을 통해 ALP의 결합 및 CP 양자수를 명확히 규명할 수 있다.

ABSTRACT

We study the discovery potential for heavy axion-like particles (ALPs) and the perspectives for determining their coupling properties at a muon collider. Focusing on their couplings to the Standard Model (SM) gauge bosons $γ, Z, W^\pm$, we show that a high-energy muon collider can substantially extend the mass coverage, essentially reaching the kinematic limit of the collider energy. The unique kinematics allow for non-ambiguous determination of the individual coupling strengths. The associated production via $μ^+μ^-$ annihilation and the VBF processes with the tagged outgoing muons can be utilized to verify the CP property of the ALPs. We illustrate our results for a muon collider running at 3 TeV and 10 TeV.

연구 동기 및 목표

• 미래 고에너지 뮤온 충돌기에서 무거운 아키온-유사 입자(ALPs)의 탐지 가능성을 평가하기 위해.
• SM 게이지 보손($\gamma, Z, W^{\pm}$)과의 ALP 결합 강도에 대한 뮤온 충돌기의 민감도를 광범위한 질량 범위에서 평가하기 위해.
• $\mu^+\mu^- \to Za$ 및 $\mu^+\mu^- \to \mu^+\mu^- a$ 과정에서의 각도 상관관계를 이용해 ALP의 CP 양자수를 규명하기 위해.
• ALP 탐지에 있어 관련 생성과 벡터 보손 융합(VBF) 과정의 효과성을 비교하기 위해.
• 봉우리 입자 충돌의 청결한 운동학적 특성 덕분에 $\gamma$, $Z$, $W^{\pm}$와의 개별 결합 강도를 독립적으로 측정할 수 있는 가능성 설정하기 위해.

제안 방법

• ALP가 SM 게이지 보손과의 결합을 효과적인 장 이론 프레임워크를 통해 기술하며, $C_{\tilde{W}}, C_{\tilde{B}}$, 및 $C_{\tilde{W}B}$ 결합을 통해 기술한다.
• 태그된 최종 상태 뮤온을 포함한 $\mu^+\mu^- \to Za$, $\gamma\gamma$ 융합, 및 VBF 과정의 신호 단면적을 계산한다.
• 신호 대 배경 비율을 향상시키기 위해 $m_{\mu^+\mu^-} > 200$ GeV 및 $|m_{\gamma\gamma} - m_a|/m_a < 5\%$ 등의 운동학적 절단 조건을 적용한다.
• 배경는 $\mu^+\mu^- \to \gamma\gamma\gamma$, $Z\gamma\gamma$, $\gamma\gamma$와 ISR, 및 $\mu^+\mu^- \to \mu^+\mu^-\gamma\gamma$로 모델링된다.
• CP 성질은 $Z$ 보손 생성 및 붕괴 평면 사이의 애자이멀 각도 $\phi_{\ell\ell}$을 통해 탐지되며, CP-홀드(알프)와 CP-짝수(히긴스) 스칼라 간에 명확한 각도 분포의 차이를 보인다.
• $\sqrt{s} = 3$ 테바르드 및 $10$ 테바르드에서 각각 $1$ 및 $10~{\rm ab}^{-1}$의 통합 루미노시티로 민감도 예측을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 뮤온 충돌기가 충돌기의 질량 중심 에너지에 가까운 질량을 가진 아키온-유사 입자(ALPs)를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 $m_a \sim 1$ 테바르드인 ALPs에 대해 $C_{\tilde{W}}/f_a$ 및 $C_{\tilde{B}}/f_a$의 결합 강도에 대한 뮤온 충돌기의 민감도는 어떠한가?
• RQ3 뮤온 충돌기에서 $Za$ 및 $\mu^+\mu^- a$ 최종 상태의 각도 상관관계를 이용해 ALP의 CP 양자수를 명확히 규명할 수 있는가?
• RQ4 ALP 탐지에 있어 관련 생성($\mu^+\mu^- \to Za$)과 벡터 보손 융합(VBF) 과정의 민감도는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 뮤온 충돌기의 청결한 환경 덕분에 $\gamma$, $Z$, $W^{\pm}$와의 개별 ALP 결합 강도를 독립적으로 측정할 수 있는가?

주요 결과

• $\gamma\gamma$ 융합 과정은 $U(1)_Y$ 결합이 억제되지 않는 한 ALP 생성을 주도한다.
• ALP 질량은 충돌기 에너지의 기하학적 한계까지 탐지 가능하며, 각각 $\sqrt{s} = 3$ 테바르드 및 $10$ 테바르드에서 3 테바르드 및 10 테바르드에 도달한다.
• $m_a = 1$ 테바르드일 경우, $\sqrt{s} = 3$ 테바르드에서 $|C_{\tilde{B}}|/f_a$는 $10^{-2}~{\rm TeV}^{-1}$ 수준까지 탐지 가능하고, $\sqrt{s} = 10$ 테바르드에서는 $10^{-3}~{\rm TeV}^{-1}$ 수준까지 가능하다.
• $\sqrt{s} = 3$ 테바르드에서 $m_a \gtrsim 700$ GeV일 경우, 관련 생성 $\mu^+\mu^- \to Za$는 VBF 과정을 초월한다.
• CP 성질은 $\mu^+\mu^- \to Za \to \ell^+\ell^- a$에서 $\cos 2\phi_{\ell\ell}$ 의존성으로 나타나는 CP-홀드 스칼라의 경우에 명확한 각도 분포를 보이며, 이를 통해 규명할 수 있다.
• VBF 과정($\mu^+\mu^- \to \mu^+\mu^- a$)에서 태그된 최종 상태 뮤온은 CP 성질 규명을 위한 청결한 서명을 제공하며, CP-짝수 스칼라에서는 평탄한 분포, CP-홀드 스칼라에서는 변조된 분포를 보인다.