Открытие темной материи: Muon Colliders как решающий охотник
16 июля 2025 г.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
4.2 Темная материя
Преобладание, по-видимому, не-бароновое вещество во вселенной остается одним из немногих однозначных показателей физики за пределами стандартной модели, и выявление микроскопических свойств темной материи является центральной целью множественных полей. Среди множества кандидатов на темную вещество частицы, слабо взаимодействующая парадигма массивной частицы (WIMP) долгое время была одной из самых убедительных. В рамках этой парадигмы кандидаты темной материи, возникающие в качестве самого легкого члена мультиплента Electroweak (EW), образуют особенно простой класс моделей [37, 111, 112]. Термическая реликвическая изобилие такой «минимальной» темной материи строго фиксируется с точки зрения квантовых чисел рассматриваемого электропроизводства, о котором идет речь,
Выбирая высокую массовую масштабу между 1 - 23 TEV для представлений SU (2) L в диапазоне от дублетов до Septuplets. Это делает минимальную темную материю мотивированным, но сложным сценарием для коллайдеров в свете высокой массовой масштаба. Кроме того, это сложнее с точки зрения детектора, потому что обычно небольшие расщепления мультиплетов EW подавляют количество видимой энергии (и, следовательно, отсутствуют импульс) в типичном событии. Тем не менее, обильные поперечные сечения Electroweak и относительно низкие неприводимых фонов в мюонном коллайдере делают его хорошо для поиска минимальной темной материи, до такой степени, что мюон -коллайдер достаточной энергии может потенциально привести к решающему вердикту на сценарий. В этом разделе мы суммируем исследования, проведенные в ссылке. [33], адаптируя свои прогнозы к оптимистичным и консервативным целям светимости, представленных здесь
![Table 4: The fermionic minimal dark matter multiplets considered in this paper (and Ref. [33]), the mass target set by thermal abundance, and a brief summary of the 5σ discovery reach at a 30 TeV muon collider under the optimistic luminosity scaling in the four individual search channels described in the text. The 5σ discovery reach for muon colliders at √s =3, 6, 10, 14, 30, 100 TeV under both conservative and optimistic luminosity assumptions is provided in the summary plots in Fig. 15. More details can be found in Ref. [33].](https://cdn.hackernoon.com/images/fWZa4tUiBGemnqQfBGgCPf9594N2-kla33v6.png)
Конечно, минимальные кандидаты темной материи также могут возникнуть из -за реальных или сложных скалярных мультиплетов, несущих квантовые числа электроводка. Скалары допускают более перенормируемые связи со стандартной моделью, особенно через операторы портала Хиггса схематической формы χχ † HH †. Эти муфты могут вызвать значительные массовые расщепления на уровне деревьев после того, как электропрояжая симметрия сломана, вводя высокую степень зависимости модели. Мы оставляем этот случай для будущего изучения.
Как отмечалось выше, ведущие взаимодействия между минимальным мультилетом темного вещества и стандартной моделью строго контролируются ew Quantum Numbers Multiple. Эти взаимодействия контролируют тепловую реликвию обилие холодной темной материи, возникающие в результате замораживания. Предполагая, что это единственный источник изобилия темной материи, соответствующие наблюдения тока [118] определяют массу «тепловой цели» темной материи. Различные кандидаты в темной материи и их соответствующие тепловые массы перечислены в таблице 4. Учитывает, что возмущное расчет массы тепловой мишени подвергается большим поправкам как от улучшения Соммерфельда [119–121], так и последствий связанных последствий [122, 123]. Для целей этого обсуждения мы в основном используем тепловые цели, представленные в ссылке. [37], который сами в основном получается путем включения исправлений Соммерфельда, чтобы привести к ссылке. [117]. Примечательным исключением является квинтоплетовая Фермиона Majorana Fermion, для которого эффекты связанного состояния являются значительными; Они поднимают тепловую цель с 9 TEV до 14 TEV [123]. Это в отличие от триплетной фермиона Majorana Fermion, для которого эффекты связанных состояний не сдвигают тепловую мишень по сравнению с расчетом Соммерфельда [123]. Для септуплетной фермиона Majorana мы получаем приблизительную цель, используя тот факт, что степени свободы уменьшаются в два раза по сравнению с Фермионом Дирака, поднимая термическую мишень выше фактора √2 относительно случая Дирака [117]. Само собой разумеется, все тепловые цели, приведенные здесь, подлежат остаточной теоретической неопределенности. Экспериментальное освещение этих целей является убедительной целью для будущей программы коллайдеров.
Высокоэнергетические Muon Colliders исключительно хорошо расположены в этом отношении. Существует ряд многообещающих каналов, в которых можно искать минимальную темную материю, включая монофотон, моно-муон и VBF Di-Muon Final, с инклюзивной недостающей массовой подписью [33]. С другой стороны, производство заряженных частиц в мультиплете, сопровождаемое распадом в темную материю (и мягкие дорожки), приводит к перспективной исчезающей сигнатуре трассы, где небольшое массовое расщепление из -за исправлений EW превращается в макроскопическое расстояние, проходящее заряженные частицы, прежде чем они распадаются. Производительность этого канала подлежит значительной неопределенности из-за фона, вызванных в настоящее время, в мюон-коллайдере, но может значительно улучшить охват [34]. Здесь мы суммируем производительность каждого канала после [33].
• Исчезающие треки:В этом канале заряда ± 1 частица в мультилете EW является парой полученной и распадается в темную материю плюс мягкие частицы с длительным временем срока службы из -за небольшого расщепления радиационной массы. Для рассматриваемых здесь случаев Cτ колеблется от 0,37 см до 5,6 см. Если заряженная частица достигает нескольких слоев трекера перед распадкой, это приводит к уникальной подписи исчезающей дорожки, потенциально низкокурсного процесса. Тем не менее, создание точных прогнозов для досягаемости этого канала в Muon Collider затрудняется нашим текущим невежеством конструкции трекера и индуцированным пучком фонов. Здесь мы представляем оценку, основанную на комбинации перемещенного синглетного трека, а также еще один объект тега, такой как фотон (с ожиданием, что это потребуется для подавления фонов), требуя десятков сигнальных событий для обнаружения. Требование двух перемещенных дорожек обязательно обеспечит дальнейшее подавление фоновых, хотя со значительной потерей скорости; Этот канал был бы полезен для дальнейшего изучения в случае, когда фоны для одноцелевого канала оказались непомерно высокими. Сосредоточившись на одноцелевом окончательном состоянии с дополнительным объектом метки, монофотонный канал с одним исчезающим дорожком будет иметь наибольшую скорость сигнала, что значительно расширяет охват для всех нечетных случаев. Тем не менее, этот канал не может достичь кинематического порога из-за повышения, необходимого для заряженной частицы, чтобы оставить достаточно ударов в трекере перед распадом.11 Троплет пользуется наибольшим повышением чувствительности от этого канала, приближаясь к кинематическому порогу, в то время как для дублета этот канал сильнее канала моно-муона.
Достигание обнаружения 5σ в Muon Colliders, работающих в различных центрах масс-энергий, суммируется на рис. 15 для оптимистичных (консервативных) интегрированных сценариев масштабирования светимости, определенных в таблице 1. Чувствительность, полученная путем комбинации недостающих массовых поисков в моно-фотоне, моно-муоне, и VBF-динамики определяется отдельно от чувствительности. При объединении пропущенных массовых каналов в сценарии масштабирования оптимистичной светимости (левая панель) общий охват не распространяется на кинематический предел Mχ ∼ √ S/2 (особенно для мультиплетов с n ≤ 3) из-за низкого уровня сигнала к спине. Можно охватить (с уверенностью 2σ) тепловые мишени двойного триплета и дирака с помощью 10 Tev Muon Collider, в то время как для триплета Majorana будет достаточно 30 TEV. Тепловые мишени Dirac (Majorana) Quintuplet будут покрыты Muon Colliders, работающими в 30 (100) TEV, в то время как Collider 100 TEV также будет покрывать тепловую мишень для септуплета.
Вместо того, чтобы рассматривать охват энергии Benchmark Collider, также интересно отметить минимальную энергию коллайдеров, которая будет охватывать заданный мультиплен, предполагая интегрированное
![Figure 15: Summary of the 5σ discovery reach for minimal dark matter of muon colliders operating at various center of mass energies with the optimistic luminosity scaling (left) and conservative luminosity scaling (right). The wider bars indicate the combined reach from missing mass searches in the mono-photon, mono-muon, and VBF di-muon channels. The thinner bars indicate the estimated reach from the mono-photon plus one disappearing track search. The maroon vertical bars denote the thermal target for a given minimal DM multiplet. More details, including the detailed reaches for each channel and collider energies, can be found in Ref. [33]. We also note a recent dedicated study of disappearing tracks which projects a 10 TeV muon collider can cover 2.75 TeV (4.55 TeV) higgsinos (winos) [34].](https://cdn.hackernoon.com/images/fWZa4tUiBGemnqQfBGgCPf9594N2-mcg337i.png)
светимость масштабирует с с. С этой точки зрения, триплета Majorana может быть достигнут 20 Tev Muon Collider (все еще предполагая интегрированные шкалы светимости с S). Квинтуплет Majorana может быть покрыт 50 -м муоновым коллайдером, а септуплет может быть покрыт 70 Tev Muon Collider. Тепловые цели всех минимальных мультиплетов, рассмотренных здесь, могут быть обнаружены на уровне 5σ Muon Collider, работающим при 75 TEV.
Наконец, мы подчеркиваем, что исчезающий сигнал трека обладает превосходным потенциалом, приближая охват близко к кинематическому пороговому значению Mχ ∼ √ S/2 на основе текущего исследования [33]. Например, один из 10 Tev Muon Collider может достичь тепловой цели как дублета, так и триплетных случаев с исчезающим поиском трека, мотивируя дальнейшие исследования и тщательное рассмотрение дизайна детектора.
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.
Эта статья есть
[11] В этом случае может быть получена дополнительная чувствительность при использовании информации о времени [124]. Тем не менее, большой вклад вне времени, вызванного луче, требует более подробных исследований.
Оригинал