[论文解读] High-energy frontier of the muon g-2 at a muon collider

Paride Paradisi, Olcyr Sumensari+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文通过在具有手征增强贡献的简化模型中对 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 进行完整的单圈计算，验证了μ子 g-2 异常与高能μ子对撞机过程之间的联系。结果表明，该过程可在多 TeV 能量下作为新物理的模型无关探测器，其截面随质心系能量的平方增长；同时证明 $2\to3$ 过程如 $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ 与 $\Delta a_\mu$ 的关联性更强，优于 $2\to2$ 过程，从而在高能前沿实现对新物理模型的区分。

ABSTRACT

The long-standing muon g-2 anomaly can be explained by heavy new physics particles through chirally enhanced contributions. It has been recently proposed that a muon collider running at center-of-mass energies of several TeV could test these new physics scenarios in a model-independent way, through the study of high-energy processes such as mu+ mu- --> h gamma. In this work, we validate these findings, based on effective field theories, by considering selected renormalizable simplified models and by computing this one-loop process in full generality. Furthermore, we explore the interplay of direct and indirect high-energy searches to pin down the details of the underlying new physics model accommodating the muon g-2 anomaly.

研究动机与目标

• 验证有效场论（EFT）的预测：在高能下 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 可探测 μ 子 g-2 异常。
• 在具有手征增强 $\Delta a_\mu$ 贡献的简化模型中，对 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 进行完整的单圈计算。
• 评估该过程中 EFT 描述在多 TeV 新物理尺度下的有效极限。
• 探讨直接高能搜索与间接 $\Delta a_\mu$ 约束之间的相互作用，以区分潜在的新物理模型。
• 识别 $2\to3$ 过程（如 $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$）作为比 $2\to2$ 过程更敏感的 g-2 异常探测器。

提出的方法

• 研究采用具有新标量和向规范定理费米子的可重整化简化模型，其在 $SU(2)_L \times U(1)_Y$ 表示下保持 $Z_2$ 对称性，以稳定暗物质候选者。
• 在完整一般性下计算 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 的单圈振幅，包括超出 EFT 范围的所有动量依赖和质量依赖贡献。
• 将 $2\to3$ 过程的相空间分解为 $2\to2$ 子过程和 $1\to2$ 衰变，使用洛伦兹不变相空间参数化，在质心系和静止系中分别评估动力学。
• 使用 $R$-矩阵变换在 $2\to2$ 和 $1\to2$ 帧之间关联动量，以确保振幅中标量积的一致性评估。
• 推导规范、 Yukawa 和四费米子耦合的跑动方程（RGEs），并为每种模型计算 $\beta$-函数系数，以评估跑动效应。
• 在一系列 $\sqrt{s}$ 值上数值评估截面，与 EFT 预测进行比较，并确定 EFT 失效的能量尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在简化模型中进行完整单圈计算，能否证实 EFT 预测：即 $\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 截面随 $\sqrt{s}$ 的平方增长？
• RQ2 在这些模型中，$\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 的 EFT 描述在多高的能量尺度后失效？
• RQ3 $2\to3$ 过程（如 $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$）与 $\Delta a_\mu$ 的相关性相比 $2\to2$ 过程如何？
• RQ4 直接高能信号与间接 $\Delta a_\mu$ 约束的相互作用，能否唯一识别出底层的新物理模型？
• RQ5 $2\to3$ 过程在多大程度上比 $2\to2$ 过程提供更稳健且更具模型区分能力的 g-2 异常探测？

主要发现

• 完整单圈计算证实，$\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 截面随 $\sqrt{s}$ 的平方增长，验证了 EFT 预测在广泛能量范围内的有效性。
• 当 $\Lambda \sim 10$ TeV 时，EFT 描述在 $\sqrt{s} \sim \Lambda/2$ 处失效，表明存在一个清晰的能量窗口，可通过直接对撞测量探测 g-2 异常。
• $2\to3$ 过程 $\mu^+\mu^- \to h\bar{\Psi}\Psi$ 与 $\Delta a_\mu$ 的相关性强于 $2\to2$ 过程，使其成为更优的模型区分探测器。
• 结果表明，$\mu^+\mu^- \to h\gamma$ 过程等价于在高能下测量 $\Delta a_\mu$，在高能前沿与高精度前沿之间建立了直接联系。
• 引入 $2\to3$ 过程显著提升了区分不同简化模型的能力，这些模型均可解释 g-2 异常。
• 结果表明，多 TeV 能量的 μ 子对撞机可通过高能 $\mu^+\mu^-$ 散射对 μ 子 g-2 异常实现模型无关的检验。