[论文解读] Axion-Like Particles at High Energy Muon Colliders -- A White paper for Snowmass 2021

Tao Han, Tong Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

本文研究了在高能μ子对撞机上探测重轴子样态粒子（ALPs）的潜力，表明此类对撞机可探测至对撞机质心系能量的运动学极限（例如3–10 TeV）的ALP质量，对耦合强度的探测灵敏度低至$10^{-2}~{\rm TeV}^{-1}$，并通过关联过程和矢量玻色子融合过程中的标记μ子，实现对ALP耦合及CP量子数的明确确定。

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.

研究动机与目标

• 评估未来高能μ子对撞机对重轴子样态粒子（ALPs）的发现能力。
• 评估μ子对撞机对ALP与SM规范玻色子（$\gamma, Z, W^{\pm}$）耦合强度的敏感度，覆盖广泛的质量范围。
• 通过$\mu^+\mu^- \to Za$和$\mu^+\mu^- \to \mu^+\mu^- a$过程中的角相关性，确定ALP的CP量子数。
• 比较关联产生与矢量玻色子融合（VBF）过程在ALP探测中的有效性。
• 建立由于轻子碰撞的洁净动量学，可独立测量ALP对$\gamma$, $Z$, 和$W^{\pm}$的耦合强度的可行性。

提出的方法

• 本研究采用通用有效场论框架，通过$C_{\tilde{W}}, C_{\tilde{B}}$, 和$C_{\tilde{W}B}$耦合参数化ALP与SM规范玻色子的耦合。
• 计算了$\mu^+\mu^- \to Za$、$\gamma\gamma$融合以及带有末态标记μ子的VBF过程的信号截面。
• 应用动量学截断，包括$m_{\mu^+\mu^-} > 200$ GeV 和 $|m_{\gamma\gamma} - m_a|/m_a < 5\%$，以提高信背比。
• 背景被建模为$\mu^+\mu^- \to \gamma\gamma\gamma$、$Z\gamma\gamma$、$\gamma\gamma$与ISR过程，以及$\mu^+\mu^- \to \mu^+\mu^-\gamma\gamma$。
• 通过$Z$玻色子产生与衰变平面之间的方位角$\phi_{\ell\ell}$探测CP性质，CP奇态（ALP）与CP偶态（希格斯）标量表现出不同的角分布。
• 在$\sqrt{s} = 3$ TeV和$10$ TeV下，分别以$1$和$10~{\rm ab}^{-1}$的积分亮度计算灵敏度预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 高能μ子对撞机能否探测质量接近对撞机质心系能量的轴子样态粒子（ALPs）？
• RQ2 对于质量$m_a \sim 1$ TeV的ALPs，μ子对撞机对耦合强度$C_{\tilde{W}}/f_a$和$C_{\tilde{B}}/f_a$的敏感度如何？
• RQ3 能否在μ子对撞机上通过$Za$和$\mu^+\mu^- a$末态中的角相关性，明确确定ALP的CP量子数？
• RQ4 关联产生（$\mu^+\mu^- \to Za$）与矢量玻色子融合（VBF）过程在ALP探测中的灵敏度如何比较？
• RQ5 μ子对撞机的洁净环境是否允许独立测定ALP对$\gamma$, $Z$, 和$W^{\pm}$的耦合强度？

主要发现

• 只要U(1)_Y耦合未被抑制，$\gamma\gamma$融合过程始终主导ALP的产生。
• ALP质量可探测至对撞机能量的运动学极限，分别在$\sqrt{s} = 3$ TeV和$10$ TeV时达到3 TeV和10 TeV。
• 对于$m_a = 1$ TeV，$|C_{\tilde{B}}|/f_a$的探测灵敏度在$\sqrt{s} = 3$ TeV时可低至$10^{-2}~{\rm TeV}^{-1}$，在$\sqrt{s} = 10$ TeV时可低至$10^{-3}~{\rm TeV}^{-1}$。
• 在$\sqrt{s} = 3$ TeV下，当$m_a \gtrsim 700$ GeV时，关联产生过程$\mu^+\mu^- \to Za$的截面超过VBF过程。
• 通过$\phi_{\ell\ell}$的角分布可确定ALP的CP性质，CP奇态标量在$\mu^+\mu^- \to Za \to \ell^+\ell^- a$过程中表现出明显的$\cos 2\phi_{\ell\ell}$依赖性。
• 在VBF过程（$\mu^+\mu^- \to \mu^+\mu^- a$）中，末态标记μ子提供了CP性质确定的清晰信号，CP偶态为平坦分布，而CP奇态标量则呈现调制分布。