tech-stories muon-collider high-energy-physics energy-frontier new-physics particle-physics electroweak-symmetry-breaking dark-matter higgs-boson

Muon Collider: размывающая энергия и точность для новой физики Discovery

11 июля 2025 г.

Авторы:

(1) Хинд Аль Али, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(2) Нима Аркани-Хамед, Школа естественных наук, Институт передового исследования, Принстон, Нью-Джерси, 08540, США;

(3) Ян Банта, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(4) Шон Бьюдес, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(5) Дарио Баттзаццо, Инфн, Сезионе Ди Пиза, Ларго Бруно Понтекорво 3, I-56127 Пиза, Италия;

(6) Tianji Cai, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(7) Джуни Ченг, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(8) Тимоти Коэн, Институт фундаментальной науки, Университет Орегона, Юджин, или 97403, США;

(9) Натаниэль Крейг, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(10) Маджид Эхтерачян, Мэрилендский центр фундаментальной физики, Университет Мэриленда, Колледж Парк, MD 20742, США;

(11) Фан Джиджи, факультет физики, Университет Брауна, Провиденс, RI 02912, США;

(12) Мэтью Форсланд, Институт теоретической физики С. Н. Ян, Университет Стони Брук, Стони Брук, Нью -Йорк, 11794, США;

(13) Изабель Гарсия Гарсия, Институт теоретической физики Кавли, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния, 93106, США;

(14) Сэмюэль Хомиллер, факультет физики, Гарвардский университет, Кембридж, Массачусетс, 02138, США;

(15) Сет Корен, факультет физики и Институт Энрико Ферми, Чикагский университет, Чикаго, IL 60637, США;

(16) Джакомо Кошеги, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(17) Чжэнь Лю, Центр фундаментальной физики штата Мэриленд, Университет Мэриленда, Колледж Парк, MD 20742, США и Школа физики и астрономии, Университет Миннесоты, Миннеаполис, MN 55455, США;

(18) Цяньшу Лу, факультет физики, Гарвардский университет, Кембридж, Массачусетс, 02138, США;

(19) Кун-Фенг Лю, Департамент физики, Гонконгский университет науки и технологии, залив Clear Water, Kowloon, Гонконг S.A.R., P.R.C;

(20) Alberto Mariotti, Theoretische Natuurkunde и Iihe/Elem, Vrije Universiteit Brussel и International Solvay Institutes, Pleinlaan 2, B-1050 Брюссель, Бельгия;

(21) Амара Маккун, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(22) Патрик Мид, Институт теоретической физики С. Н. Ян, Университет Стони Брук, Стони Брук, Нью -Йорк, 11794, США;

(23) Изобель Оджалво, Принстонский университет, Принстон, Нью -Джерси, 08540, США;

(24) Umut Oktem, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(25) Diego Redigolo, CERN, Теоретическая физика, Женева, Швейцария и Инфн Сезионе ди Фаренз, через G. Sansone 1, I-50019 Sesto Fiorentino, Италия;

(26) Мэтью Рис, кафедра физики, Гарвардский университет, Кембридж, Массачусетс, 02138, США;

(27) Филиппо Сала, LPTHE, CNRS & Sorbonne Universite, 4 Place Jussieu, F-75252 Paris, Франция

(28) Раман Сандрум, Центр фундаментальной физики Мэриленда, Университет Мэриленда, Колледж Парк, MD 20742, США;

(29) Дейв Сазерленд, Инфн Сезионе Ди Триесте, через Bonomea 265, 34136 Trieste, Италия;

(30) Андреа Теси, Инфн Сезионе Ди Френденз, через Г. Сансон 1, I-50019 Сесто Фиорентино, Италия и Департамент физики и астрономии, Университет Флоренции, Италия;

(31) Тимоти Тротт, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США;

(32) Крис Талли, Принстонский университет, Принстон, Нью -Джерси, 08540, США;

(33) Лиан-Тао Ван, факультет физики и Института физики и Энрико Ферми, Чикагский университет, Чикаго, IL 60637, США;

(34) Менханг Ван, факультет физики, Калифорнийский университет, Санта -Барбара, Калифорния 93106, США.

Таблица ссылок

Аннотация и 1. Введение

2 мюоны против протонов

2.1 Мюон Аннигиляция

2.2 Векторное бозон слияние

2.3 Аннигиляция против VBF

2.4 Сигнал против фонового

3 мюонных коллайдеров - балотные бозонные коллайдеры

3.1 От эффективного векторного приближения к PDF

3.2 PDFS со сломанной электропроизводительной симметрией

3.3 Влияние бодрящих бревна

3.4 конечные массовые эффекты

4 физика

4.1 Electroweak Symmetry Breaking

4.2 Темная материя

4.3 естественность

5 взаимодополняемость

5.1 EDMS

5.2 аромат

5.3 Гравитационные волны

6 Резюме и будущих направлений

Благодарности

А. Упрощенные модели

A.1 Стандартная модель

A.2 Суперсимметрия

A.3 векторные кварки

А.4 Портал Хиггса

A.5 Скрытые долины

A.6, подобные аксионам частицы

Ссылки

Абстрактный

Мы излагаем всеобъемлющий случай физики для будущего высокоэнергетического Muon Collider, исследуя ряд энергий столкновений (от 1 до 100 TEV) и светимости. Мы выделяем преимущества такого коллайдера по сравнению с предлагаемыми альтернативами. Мы показываем, как можно использовать как точечную природу самих мюонов, так и облако излучения электропроизводства, которое окружает луч, чтобы размывать дихотомию между энергией и точностью в поиске новой физики. Физический случай озадачен различными исследованиями с применением к разрыву симметрии электропроизводства, темной материей и естественностью слабых масштабов. Кроме того, мы устанавливаем острые связи с дополнительными экспериментами, которые изучают новые физические эффекты с использованием электрических дипольных моментов, нарушения вкуса и гравитационных волн. Обширное приложение обеспечивает поперечные предсказания как функция энергии центра масс для многих канонических упрощенных моделей.

1 Введение

Обнаружение бозона Хиггса [1, 2] в большом коллайдере Hadron (LHC) отмечает конец одной эры и рассвета другой. Происхождение массы было объяснено, но, отвечая на этот вопрос, бозон Хиггса представляет множество других: это Хиггс стандартной модели? Это единственный Хиггс или один из многих? Почему Electroweak Symmetry сломана в первую очередь, и что устанавливает шкалу? Как, если вообще, связан ли происхождение массы с узорами вкуса, природы темной материи или обилием материи над антивеществом?

Эти вопросы делают призыв исследовать более короткие расстояния и более высокие энергии, столь же яркие и ясные, как и когда -либо. Хотя путь вперед лишен гарантированных открытий, до сих пор путешествие всегда было скорее случайностью, чем неизбежностью. Мы строим коллайдеры не для того, чтобы подтвердить то, что мы уже знаем, а для изучения того, что мы не делаем. После открытия Хиггса Бозона вопрос не в том, следует ли строить еще один коллайдер, а то, какой коллайдер строил.

В течение последнего десятилетия консенсус в основном объединялся вокруг линейных или круговых коллайдеров E +E - [3–6] и круговых коллайдеров PP [7, 8], оба из которых составляют естественные расширения прошлых и настоящих машин. Сильные стороны этих двух подходов в значительной степени взаимодополняют, с точностью e +e - машин и мощностью PP -машин, прокладывающих различные пути к изучению физики на более коротких расстояниях. Случайно говоря, сила первого состоит в том, чтобы раскрыть отпечатки пальцев, которые новая физика оставила на свойствах Хиггса и других состояний электропроизводства, в то время как последние расположены для производства новой физики напрямую. Это вызвало знакомую дихотомию между энергией и точностью в качестве контрастных подходов к поиску новой физики.

Введите мюон. Потенциальные преимущества высокоэнергетических MUON Colliders уже давно признаны [9–15]. Как фундаментальная частица, полная энергия MUON доступна в столкновении, с гораздо более чистыми конечными состояниями по сравнению с теми, которые получают диссоциацию композитной частицы, такой как протон. Его значительная масса подавляет синхротронное излучение, которое эффективно ограничивает энергии круговых коллайдеров E +E - делая как высокие энергии, так и высокие яркости, достижимые с относительно небольшим пехотом. Это повышает перспективу того, что Muon Collider может превышать прямую энергию LHC, при этом достигая беспрецедентных точных измерений стандартных модельных процессов. MUON позволяет нам использовать преимущества как энергии, так и точности в единой будущей программе Collider.

Эти преимущества стоят за счет: сталкивающиеся частицы больше не стабильны. Короткая срок службы MUON устанавливает ряд технических проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем такой коллайдер может быть реализован. Но прогресс к этой цели значительно ускорился в последние годы, возглавляемые программой Muon Accelerator США (MAP) [16–19], экспериментом по охлаждению ионизации мюон (мышей) [20–22] и концепцией ускорительного ускорителя (LEMMA) с низким эмиттом (LEMMA) [23]. Разработки на стороне акселератора катализировали экспериментальную и теоретическую деятельность, отражаемая в результате внедрения в обновлении европейской физической стратегии частиц [24] и пролиферации исследований, в которых изложены аспекты теории для муоновских коллайдеров в различных энергиях. Недавние вклады включают исследования PDF -файла MUOON PLSON Electroweak [25]; производство новых скаляр [26–31] и разнообразных других состояний [32] в слиянии векторного бозона (VBF); Потенциал открытия для минимальной темной материи [33, 34]; Измерение самовыкубиния Хиггса [35] и муфт с электроупроизводителями [36]; Чувствительность к новой физике, закодированной в неактуальных операторах [37, 38]; и охват потенциальных объяснений BSM для подсказков от дополнительных экспериментов, дающих аномалии Muon G -2 [39–43], B Meson [44] и K Meson [45].

В этой статье мы представляем упреждающую теорию, подчеркивая физический потенциал высокоэнергетического Muon Collider. Мы стремимся выявить цели энергии и светимости, которые позиционируют такой коллайдер в качестве естественного преемника LHC. Наш подход синтезирует некоторые из качественных уроков более ранних исследований (например, [28,32,33]), определяет совершенно новые цели физики и исследует взаимодополняемость с предстоящими экспериментами по различным границам. Мы суммируем качественные особенности наиболее важных режимов производства и характеризуем содержание бозона электроузового базона в начальном состоянии как для стандартной модели, так и для окончательных состояний модели за пределами иэстандард; представлять ряд тематических исследований, демонстрирующих потенциал Muon Collider, чтобы пролить свет на разрыв симметрии электропроизводства, темную материю и естественность слабых масштабов; и отточить соединения с дополнительными экспериментами, исследующими новую физику через электрические дипольные моменты (EDM), нарушение вкуса и гравитационные волны. Несмотря на то, что наша основная задача сосредоточена на высокоэнергетических MUON Colliders, он подчеркивает, что многие из тех же физических соображений применимы к другим высокоэнергетическим коллайдерам лептона, и аспекты этой работы имеют отношение к физическому случаю для потенциальных долгосрочных обновлений ILC.

По большей части, представленные здесь исследования включают измерения скорости и учет простых непонижаемых фонов. Более подробные прогнозы обязательно подвержены множеству экспериментальных соображений, и будущие события в исследованиях ускорителя, детектора и теории для Muon Collider тесно связаны. Мюона в покое имеет относительно короткое время срока службы 2,2 мние

Table 1: Energy and luminosity benchmarks considered in this work.

Срок службы лабораторной кадры до порядка секунд, экспоненциальный распад MUON создает интенсивный источник коллинеарных электронов вне момента. Затем электроны взаимодействуют с компонентами луча, производя электромагнитные душевые, которые приводят к высоким потоку фотонов с низким энергопотреблением и мягкими нейтронами; Это основной источник фона для детектора Muon Collider. Процесс изгиба и в конечном итоге фокусирует балки, чтобы генерировать высокую скорость столкновения светимости направляет эти фон не в коллиматорах вверх по течению, а также очень близко к точке взаимодействия. Точная доля этих фонов сильно зависит от решетки машины и конфигурации точки взаимодействия. Во всех случаях включение экранирующих конусов, близких к точке взаимодействия, было идентифицировано как значительное средство смягчения влияния фона, вызванного пучком, внутри детектора [46].

Исследования детектора, проведенные в [47], показывают, что текущий подход к обработке высокого уровня детектора кажется достаточным для сохранения физических возможностей. Эти исследования должны быть расширены и обновлены, чтобы включить недавние прорывы в технологии и более высокий центр массовых энергий. Что касается фон, связанных с элементами детектора, основным инструментом для отделения событий коллайдеров от фона, вызванного лучами (BIB), является новое поколение детекторов точности времени, которые используют большие инвестиции в усилия, входящие в обновления HL-LHC [48,49]. В контексте настоящей работы мы рассматриваем это как обнадеживающее признак того, что индуцированные лучами фон и связанные с ними проблемы реконструкции могут быть решены, но подчеркиваем, что все исследования в настоящем документе представляют оценки, необходимые для подробного экспериментального исследования.

Поскольку это исследование будет сформулировать, существует огромная мотивация для построения будущего Muon Collider. Технологические проблемы, по -видимому, не являются непреодолимыми и предоставляют огромную возможность для разработки новых экспериментальных методов. То, как Muon Collider размывает грань между энергией и точностью, открывает дверь для новых подходов к анализу, при этом мотивируя новые расчеты более высокого порядка. И такая машина может легко предоставить ответы на многие фундаментальные вопросы по физике частиц.

Руководство Muon-Smasher организовано следующим образом: в гл. 2, мы набросаем многие из основных качественных особенностей столкновений в высокоэнергетических Muon Colliders, с целью их преимуществ по сравнению с PP Colliders и взаимодействием между различными режимами производства. В громкости 3, мы обращаемся к физике исходного состояния в высокоэнергетических MUON Colliders, характеризуя содержание бозона ElectroWeak для высокоэнергетических мюонов и развивая прагматический подход к захвату наиболее важных эффектов. Случай широкого физика разработан в гл. 4, фокусируясь в основном на центральных темах (разрыв симметрии электропровода, темная материя и естественность), подчеркиваемые открытием Хиггса. В громкости 5, мы исследуем взаимодополняемость мюон -коллайдера с другими экспериментами, работающими на совместимых сроках, с особым акцентом на электрические дипольные моменты, нарушение вкуса и гравитационные волны. Мы суммируем центральные уроки исследования в гл. 6, подчеркивая энергии и яркости, которые позиционируют мюон -коллайдер для решения вопросов, заданных Higgs Discovery. Мы оставляем за собой сборник поперечных сечений и детали различных анализов для приложения. А.

Эта статья естьДоступно на ArxivПод CC по лицензии 4.0.