Раскрытие фундаментальной физики: роль Muon Collider в EWSB, DM & Naturalntion
15 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 физика
Мы поворачиваем рядом с физическим потенциалом высокоэнергетического Muon Collider, сосредотачиваясь на некоторых центральных темах-разбивке симметрии электроводки (EWSB), естественностью и темной материей (DM)-которые мотивировали новую физику с момента создания стандартной модели. Эти соображения обеспечивают острые целевые точки для будущего коллайдера, указывающие энергии и яркости, которые позволили бы такому коллайдеру всесторонне исследовать основы стандартной модели.
4.1 Electroweak Symmetry Breaking
Обнаружение Хиггса завершило содержание частиц в SM. Тем не менее, это открытие также усилило головоломки, связанные с ролью Хиггса в SM, создавая такую же путаницу, как ясность. Хиггс является линхпином SM, ответственной за все массы элементарных частиц, а также вкусовые смешивания через EWSB. Большинство параметров SM, связанных с Хиггсом, не определяются с помощью инвариантности калибра, и их значения должны быть измерены. Более того, тот факт, что EWSB происходит через Хиггса, вручную вручную, в том, что мы должны указать потенциал. Прежде чем мы заявим, что SM завершен, мы должны измеритьвсеего параметров.
К сожалению, путь к завершению цели измерения всех параметров SM часто рассматривается как требующий двух разных коллайдеров после HL-LHC, из-за зависимости от двух качественно различных типов наблюдаемых. Первый - исследовать муфты Хиггса с другими частицами SM; Мы отмечаем, что легкий аромат юкавы еще предстоит измерить вообще. Второе - исследовать сам потенциал Хиггса. Чтобы изучить муфты световых ароматов с Хиггсом, требуется чрезвычайно чистая среда коллайдеров, которая предпочитает коллайдеры лептонов, такие как предложенные фабрики Хиггса с низким энергопотреблением. Их преимущество четко проиллюстрировано на рис. 4, которое показывает, что производство Хиггса представляет собой относительно большую часть общего поперечного сечения в Colliders Lepton, как только его производство с помощью базовых бозонов допускается кинематически. Даже в этих коллайдерах должна быть достаточная светимость, чтобы исследовать муфты юкавы кварка очарования, в то время как другие легкие ароматы представляют собой серьезную проблему; Возможность пометить и измерить световые вкусы является предметом текущих исследований [58]. Тем не менее, Colliders Lepton предлагают, по крайней мере, обещание измерений, которые были бы чрезвычайно трудными в коллайдерах Hadron, где точные измерения фракций разветвления SM Higgs должны преодолеть огромное количествоu, d, s, cи Gluon Founal Jets. Кроме того, будущий коллайдер лептона, работающий на массовом полюсе Хиггса, может измерить производство резонанса S-канала, чтобы точно исследовать сочетание лептона Юкавы точно (в мюонном коллайдере) или с верхним пределом в несколько раз, чем предсказание SM (на коллайдере E +E-[59–62].
Проведение такой программы будущих измерений Хиггса не просто завершит SM, она, вероятно, может открыть первое окно для физики за пределами SM. Бозон Хиггса уникален; Это единственный, по -видимому, элементарный скаляр среди всех частиц, наблюдаемых во вселенной. Его отдельные свойства дают много убедительных причин для дальнейшего изучения. Хиггс предоставляет единственный источник физики вкуса в SM; самый актуальный, инвариантный портал для других секторов BSM или темной материи; Университет амплитуд рассеяния в SM; окно о космологии ранней вселенной через фазовый переход EW (EWPT) и потенциально eW Baryogenesis (EWBG); И, наконец, что не менее важно, загадка естественности. Мы решительно мотивированы, чтобы определить, является ли Хиггс единоличной ответственной за EWSB, и является ли он (частично) составным. В этом разделе мы обсудим роль Muon Collider в решении этой темы. [7] Все эти вопросы могут быть атакованы путем измерения свойств Хиггса с достаточной точностью. Многие из них получают выгоду от высокой скорости производства Хиггса и чистоты высокоэнергетического Muon Collider, а также динамического диапазона C.M. Энергия, которой достигает такой коллайдер благодаря тому, что он является векторным бозонским коллайдером. Удачная аналогия для пути, который начался с поиска Хиггса и продолжается, исследуя его в достаточных деталях, обеспечивается космологией. Хотя расширение вселенной было известно со времен Хаббла, только спустя много десятилетий было обнаружено правое наблюдение и измерено достаточно, чтобы ускоренное расширение вселенной было убедительно обнаружено. Сейчас мы только начинаем получать экспериментальные знания о свойствах бозона Хиггса, на относительно грубых уровнях. Мы должны двигаться к новой эре точности физики Хиггса, которая, как и точная космология, дает надежду революционизировать наше понимание вселенной.
4.1.1 Оценки чувствительности к сцеплению Хиггса из процессов HIGGS на рамке
Существует много новых измерений свойств Хиггса, которые доступны с помощью более высоких энергий и более чистых сред, и мы рассмотрим их выборку в последующих разделах. Желание улучшить Higgs Precision будет стимулировать одну из основных программ для любого будущего коллайдера. Следовательно, важно понимать, как именно высокий энергетический Muon Collider может измерить свойства Хиггса самостоятельно, а также в сочетании с другими коллайдерами. Ответ на этот вопрос зависит как от теоретической основы, так и от экспериментальных деталей, которые оставляют огромный спектр возможностей, которые выходят за рамки данной статьи для изучения. Чтобы сделать первую количественную оценку, а не просто заявить, что будет получено большое количество частиц Хиггса, мы сделаем ряд упрощающих предположений. В этом разделе мы сосредотачиваемся на процессах, в которых производятся бозоны Хиггса на оболочке. В некоторых энергетических Muon Collider процессы HIGGS в некоторых случаях будут предлагать еще более мощный зонд свойств Higgs, тема, в которую мы вернемся в гл. 4.1.2.
Во -первых, мы примем общие κ подгонки для точности Хиггса [65, 66]. Это не одобрение этой методологии по сравнению с любой другой, а прагматичным выбором для сравнения, поскольку все будущие предложения коллайдеров имеют пример этого типа подгонки (структура каппа-0) [67]. Входными данными для такого соответствия являются неопределенностью измерения поперечного сечения в эксклюзивных каналах. Они зависят от поперечного сечения сигнала и физики, а также на машинном фоне, возможностях детектора и возможных дополнительных теоретических предположениях. Машины и возможности детектора особенно интересны в контексте высокоэнергетических MUON Colliders, как обсуждалось ранее. Нагрузка в мюон-коллидерах служит как фон для измерений, так и для драйвера детектора. Не существует оптимизированного дизайна детектора, доступной во всех наших этажах C.M. Энергии, из -за того, что нагрудник зависит от комплекса акселератора в пределах примерно 25 м на каждой стороне точки взаимодействия. Поэтому мы просто выберем наши критерии энергии и светимости составлять 10 TEV и 10/AB, и используя карту детектора Muon Collider для быстрого моделирования Delphes [68]. Этот выбор «детектора» не служит окончательным словом, но позволяет нам начать изучать, как физические требования взаимодействуют с дизайном детектора. Мы не включаем BIB, поскольку текущие исследования полной симуляции показывают, что он, по-видимому, находится под контролем, особенно при более высоких энергиях [69,70], и существуют потенциальные способы снижения его последствий. Кроме того, для этого исследования игрушки мы не включаем физический фон.
Несмотря на то, что наши предположения могут показаться слишком радикальными для упрощения, все еще есть полезная информация о чувствительности, несмотря на то, что они сделали эти наивно неконсервативные оценки. Наши скорости сигналов с использованием Delphes имеют довольно небольшое признание, учитывая, что карта детектора ограничивает физические объекты до | η | <2,5, кроме форвардных мюонов. Существует ряд мотивов для карты детектора, вдохновленной гибридом CLIC и FCC-HH для эффективности и реконструкции [71], но они не оптимизированы для конкретной цели физики или энергии. Кроме того, общее принятие примерно совпадает с тем, что у него есть нагрузка
вольфрамовые форсунки [72,73], с углом открытия 10 °, мотивированным 1,5 TEV C.M. Исследования Muon Collider [73,74]. Открытие сопла должно быть в состоянии уменьшить при более высоких энергиях, поскольку излучение будет более вперед [35] (и время должно также смягчить эффекты нагрудника). Физический фон, конечно, потенциально имеет гораздо большее значение, чем нагрудно. Тем не менее, они значительно снижаются в коллайдере Лептона, как показано на рис. 4. Детальные исследования чувствительности, включая физическое происхождение, были выполнены для 3-х коллдеров TEV Lepton для исследований Clic Higgs [75] и, таким образом, служат доказательством принципа (или потенциального пола) для наших чувствительных к сигналам чувствительности. Существует множество исследований, которые могут и должны быть проведены в будущем, но мы надеемся, что это служит полезной отправной точкой, показывая влияние принятия и эффективности посредством быстрого моделирования. С точки зрения сигнала и нагрудника, мы считаем это консервативной отправной точкой.
Мы снова подчеркиваем, что производительность в различных каналах, показанных в таблице 2, никоим образом не оптимизирована и требует дальнейшего изучения. Однако, с этими предполагаемыми чувствительностью, мы можем выполнить простой 10 параметровый κ, чтобы сравнить этот эталон с другими предлагаемыми коллайдерами. Конечно, Muon Collider может быть улучшен с помощью дополнительных измерений от других коллайдеров. Поэтому мы также выполняем соответствие с HL-LHC или 250 GEV E +E-Collider. Здесь мы взяли ввод CEPC с полной матрицей корреляции для различных каналов [6, 79], чтобы представлять коллайдер 250 ГЕВ E +E -. Результаты и обсуждение взаимодополняемости с другими фабриками Lepton Collider Higgs были бы похожи. Мы представляем результаты этих подходов в таблице 3.
4.1.2 Аромат и экзотические муфты
4.1.3 Потенциал Хиггса и фазовый переход Electroweak
Одним из наиболее интригующих аспектов EWSB является его роль в ранней вселенной. Поскольку мы не можем напрямую наблюдать за ранней вселенной до времени образования CMB, кроме как через гравитационные волны, мы должны использовать физику частиц, чтобы сделать выводы о том, что произошло. Многие интересные и все же неизмеренные эпохи в космологии напрямую переплетаются с EWSB. Например, эволюция нейтрино во вселенной и свойства космического фона нейтрино, решающей, зависят от масс бозон W и Z. Массы частиц SM возникают из -за разрыва симметрии EW, и поэтому, возможно, включались во время EWPT в тепловой истории, в которой симметрия EW была восстановлена даже в более ранние времена и более горячие температуры. Если EWPT был сильно первым порядком и другими источниками CP
Существует нарушение - оба из которых требуют новой физики за пределами SM - тогда EW Baryogenesis может объяснить асимметрию вещества/антивещества в нашей вселенной.
4.1.4 Дополнительные бозоны Хиггса
В качестве окончательного тематического исследования, демонстрирующего потенциал для высокоэнергетического Muon Collider для освещения физики EWSB, мы рассмотрим поиск дополнительных «бозонов Хигга», которые приобретают их стандартные модельные муфты, смешивая с Хиггсом. Это иллюстрируется одним из самых простых расширений сектора Хиггса, настоящего скалярного синглета с перенормируемым муфтом с SM Higgs. [9] Это кодирует большой класс теорий BSM, которые касаются стабильности масштаба Electroweak [98, 101] или связывают барионную асимметрию во вселенной сегодня с EWPT [102–106]. В более общем плане, учитывая разнообразие векторных бозонов и фермионов в SM, естественно спросить, обладает ли скалярное сектор одинаковую глубину.
Расширение Scar Singlet SM является очень полезным эталоном для оценки возможностей будущих коллайдеров [28,107], поскольку оно проявляется двумя размерными способами: косвенно, как модификация скорости распада Хиггса и непосредственно в одно и двойные каналы производства. Оба эти эффекта контролируются одним и тем же небольшим набором параметров - в частности, синглетной массой и его смешиванием с бозоном Хиггса - что позволяет немедленно сравнить прямой и косвенный охват. Как мы увидим, способность очень высокого энергетического коллайдера обнаруживать тяжелые резонансы имеет решающее значение для преодоления ограничений измерений точности Хиггса, которые неизбежно ограничены систематическими неопределенностью, и позволяет исследовать совершенно новую территорию, включающую слабо взаимодействующие новые физики в диапазоне 10 TEV.
Феноменология синглета продиктована следующим лагранжевым
Режимы производства и каналы распада
Одно производство доходит до смешивания с Хиггсом. Его поперечное сечение пропорционально углу смешивания и только логарифмически чувствителен к массе (при высоких энергиях) и
это может быть просто написано как
Чувствительность мюонного коллайдера
где фактор, пропорциональный α = 3%, учитывает возможные систематические неопределенности.
Результаты для различных критериев коллайдера показаны на рис. 13 (справа).
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
[7] Потенциал Хиггса также лежит в корне глубоких вопросов о стабильности вселенной, которую мы оставим на будущие расследования.
[9] Чувствительность Muon Colliders к расширенным секторам Хиггса с Electroweak Doublets была недавно изучена в [30].
Оригинал