[论文解读] The physics case of a 3 TeV muon collider stage

Jorge De Blas, Dario Buttazzo+132 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文主张，3 TeV量级的μ子对撞机在探测与μ子g-2和B物理异常相关的新型物理现象方面具有独特优势，可通过探测味非幺正相互作用和弱耦合的暗物质，检验新物理。研究表明，此类对撞机能够发现或排除所有可解释g-2异常的可行模型，并通过高能轻子味违反探测高达1000 TeV的新物理尺度，为解决粒子物理学中的关键异常提供无损之选。

ABSTRACT

In the path towards a muon collider with center of mass energy of 10 TeV or more, a stage at 3 TeV emerges as an appealing option. Reviewing the physics potential of such muon collider is the main purpose of this document. In order to outline the progression of the physics performances across the stages, a few sensitivity projections for higher energy are also presented. There are many opportunities for probing new physics at a 3 TeV muon collider. Some of them are in common with the extensively documented physics case of the CLIC 3 TeV energy stage, and include measuring the Higgs trilinear coupling and testing the possible composite nature of the Higgs boson and of the top quark at the 20 TeV scale. Other opportunities are unique of a 3 TeV muon collider, and stem from the fact that muons are collided rather than electrons. This is exemplified by studying the potential to explore the microscopic origin of the current $g$-2 and $B$-physics anomalies, which are both related with muons.

研究动机与目标

• 确立3 TeV量级μ子对撞机作为探测标准模型之外新物理的关键工具的物理基础。
• 证明该对撞机可通过测试通过半轻子或电弱单重态相互作用生成异常的全部可行模型，解决μ子g-2异常问题。
• 探索3 TeV对撞机在探测弱耦合暗物质候选者及味违反相互作用方面的探测能力。
• 展示该对撞机可通过高能希格斯玻色子加光子末态搜索，实现对g-2异常的模型无关验证。
• 使μ子对撞机的时间表与2030年代即将开展的直接和间接暗物质搜寻相协调，以实现对潜在发现的快速跟进。

提出的方法

• 利用3 TeVμ子对撞机的高质心能量，探测涉及μ子的有效场论算符，如$(bs)(\mu\mu)$，这些算符与B物理异常相关。
• 通过精确测量μ子对产生及与光子关联的希格斯玻色子产生过程，检验g-2异常机制。
• 通过高亮度数据采集，探测弱耦合暗物质，利用缺失能量和单喷注信号。
• 利用对撞机在$\mu\to e\gamma$和$\mu\to e$转换过程中的轻子味违反敏感性，约束新物理尺度。
• 使用有效场论和简化模型，对3 TeV对撞机的探测能力进行建模，绘制其对高达1000 TeV新物理尺度的敏感度图谱。
• 将对撞机的探测能力与味工厂及间接暗物质搜寻进行比较，确立其互补性与协同效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 3 TeV量级的μ子对撞机是否能够完全检验所有可解释μ子g-2异常的可行模型，包括涉及粲夸克的半轻子相互作用或电弱单重态的模型？
• RQ2 3 TeV量级的μ子对撞机对弱耦合暗物质候选者的敏感度如何？是否能够系统性探测全部此类候选者？
• RQ3 μ子对撞机在高能区探测轻子味违反的范围有多大？其探测能力与味工厂相比如何？
• RQ4 3 TeV量级的μ子对撞机是否可通过希格斯玻色子加光子末态实现对g-2异常的模型无关验证？
• RQ5 3 TeV量级μ子对撞机的时间表是否与2030年代即将开展的直接和间接暗物质搜寻相协调？是否能够实现对潜在发现的及时确认？

主要发现

• 3 TeV量级的μ子对撞机能够检验所有通过涉及粲夸克的半轻子相互作用或质量高于1 GeV的电弱单重态生成μ子g-2异常的可行模型。
• 该对撞机对轻子味违反的新物理尺度探测能力可达1000 TeV，探测范围与某些味工厂相当或更优。
• 即使在‘噩梦场景’下，仅存在$(bs)(\mu\mu)$算符且尺度为数十TeV时，7 TeV量级的μ子对撞机仍可完全覆盖参数空间。
• 3 TeV量级的μ子对撞机能够发现或排除所有涉及电弱单重态或向规范费米子的、理论上合理的g-2异常解决方案。
• 对于在$\mathcal{O}(100\ \text{TeV})$尺度产生新层次问题的新物理，30 TeV量级的μ子对撞机仍可在希格斯加光子末态中探测到信号。
• 该对撞机为系统探测所有弱耦合暗物质候选者提供了独特路径，其中许多候选者在3 TeV阶段已可触及。