[论文解读] Probing New Physics with $μ^+ μ^- o bs$ at a Muon Collider

Wolfgang Altmannshofer, Sri Aditya Gadam+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文提出利用高能μ子对撞机通过过程 $\mu^+\mu^- \to bs$ 探测新物理，分析所有维度-6四费米子接触相互作用。结果表明，b夸克喷注的前后不对称性可诊断新物理的手征性，即使在无信号的情况下，10 TeV μ子对撞机也能探测高达100 TeV的新物理尺度，且束流极化可进一步提升灵敏度。

ABSTRACT

We show that bottom-strange production at a high-energy muon collider, $μ^+ μ^- o b s$, is a sensitive probe of new physics. We consider the full set of four-fermion contact interactions that contribute to this process at dimension 6, and discuss the complementarity of a muon collider and of the study of rare $B$ meson decays that also probe said new physics. If a signal were to be found at a muon collider, the forward-backward asymmetry of the $b$-jet provides diagnostics about the underlying chirality structure of the new physics. In the absence of a signal at a center of mass energy of $10$~TeV, $μ^+ μ^- o b s$ can indirectly probe new physics at scales close to $100$~TeV. We also discuss the impact that beam polarization has on the muon collider sensitivity performance.

研究动机与目标

• 研究μ子对撞机在 $\mu^+\mu^- \to bs$ 过程中探测新物理的潜力。
• 分析所有贡献于 $\mu^+\mu^- \to bs$ 的维度-6四费米子接触相互作用。
• 比较μ子对撞机与大型强子对撞机（LHC）中稀有B介子衰变在探测轻子味普适性与μ子特异性新物理方面的灵敏度。
• 评估束流极化对灵敏度提升与背景抑制的影响。
• 估计在无信号的情况下，10 TeV μ子对撞机探测新物理尺度至100 TeV的潜力。

提出的方法

• 本研究采用有效哈密顿量框架，利用维度-6四费米子算符描述 $\mu^+\mu^- \to bs$ 中新物理的贡献。
• 包含所有涉及 $b$、$s$ 和 $\mu^+\mu^-$ 的一阶四费米子接触相互作用，涵盖矢量、标量和张量流，具有不同手征性。
• 考虑了从高能标 $\sqrt{s} = 10$ TeV 到底夸克质量标度的QCD与电弱跑动对威尔逊系数的影响。
• 利用全部算符集合计算 $\mu^+\mu^- \to bs$ 的微分截面，并包含极化μ子束流的影响。
• 背景建模为误识别的二喷注与不可约的标准模型过程，重点通过运动学与角分布区分信号与背景。
• 通过信号显著性与预期极限计算灵敏度预测，并将μ子对撞机的探测能力与LHC上稀有B衰变的探测能力进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 μ子对撞机能否通过 $\mu^+\mu^- \to bs$ 过程探测超出LHC探测能力的新物理尺度？
• RQ2 b夸克喷注的前后不对称性如何帮助识别新物理耦合的手征性结构？
• RQ3 在 $\sqrt{s} = 10$ TeV 下无信号的情况下，10 TeV μ子对撞机对新物理的灵敏度如何？
• RQ4 束流极化如何提升μ子对撞机的发现潜力与背景区分能力？
• RQ5 在LHCb最新关于 $R_K$ 与 $R_{K^*}$ 的更新之后，μ子对撞机的约束与稀有B衰变的约束相比如何？

主要发现

• b夸克喷注的前后不对称性为直接诊断 $\mu^+\mu^- \to bs$ 中新物理耦合的手征性结构提供了有效工具。
• 在 $\sqrt{s} = 10$ TeV 下无信号的情况下，μ子对撞机可探测高达约100 TeV的新物理尺度。
• 束流极化显著提升灵敏度，增强信号与背景的区分能力，并有助于探测特定新物理模型。
• μ子对撞机对轻子味普适性新物理的探测灵敏度与稀有B衰变测量具有可比性，且具有互补优势。
• 在LHCb最新关于 $R_K$ 与 $R_{K^*}$ 的更新之后，全局拟合仍支持通过轻子味普适的四费米子接触相互作用统一解释 $b\to s\mu\mu$ 异常。
• 威尔逊系数的跑动在高能与低能标之间引入了小但不可忽略的修正（5–10%），已精确包含在内。