物理Electron-Muon对撞机

文摘

与非对称碰撞electron-muon对撞机概要针对multi-ab¹提出了集成的光度。这部小说对撞机,操作的碰撞能量,例如,20 - 200 GeV 50 - 1000 GeV,和100 - 3000 GeV,能够探测带电轻子味违反和测量精确希格斯玻色子的属性。电子的碰撞和μ介子束导致更少的物理背景和一个电子或muon-muon对撞机相比,自electron-muon交互进行主要通过高阶矢量玻色子融合和玻色子散射过程。非对称碰撞概要碰撞导致产品提高了对电子束的一面,它可以利用减少beam-inducedμ介子束在很大程度上的背景。记住这一点,你可以想象一个轻子对撞机复杂,从碰撞订单10 GeV电子和μ介子束在历史上首次违反探测带电轻子味,然后升级到一个与50 - 100 GeV电子对撞机,1 - 3 TeVμ介子束测量希格斯粒子属性和寻找新物理最后转换为TeV-scale muon-muon对撞机。成本应该从订单1亿到几十亿美元,对应于不同的阶段,使资金情况更实用。

---

发现(1,2)和属性测量(3- - - - - -8希格斯玻色子是一个胜利的粒子物理学的标准模型(SM)和大型强子对撞机(LHC)。在未来10 - 20年,LHC和High-Luminosity LHC (HL-LHC)将进一步探索SM和寻找物理除此之外。2020年欧洲战略更新粒子物理学(9)提出了一种视觉的短期和长期的未来,强调追求的需要,大型强子对撞机后作为最高优先级的设施,一个电子对撞机作为希格斯工厂,如提出国际直线对撞机(ILC)紧凑的线性对撞机(按),未来的圆形对撞机(FCC),或圆形电子正电子对撞机(CEPC)。这些未来的对撞机,在其生命周期的不同阶段,也作为Z或顶夸克TeV规模的工厂或操作新物理学搜索的目的。FCC和CEPC项目也为升级目标订单100 TeV强子对撞机。其他对撞机已经提出了类似的目标是高能对撞机(HE-LHC) [10电子),大型强子对撞机(LHeC) (11),和一个μ介子对撞机(12]。

最近,已经有大量的兴趣(13)与质量重心muon-muon对撞机能量multi-TeV范围,它有一些优点hadron-hadron和电子对撞机(14- - - - - -16]。因为μ介子束排放更少比电子束同步辐射,μ介子可以在一个圆形的对撞机加速到更高的能量。另一方面,由于质子复合粒子,muon-muon碰撞比与质子间的对撞清洁,也可以导致更高的有效质量重心的能量。然而,由于μ介子的短暂一生,beam-induced背景(龙头)μ介子衰变需要检查和适当降低。基于现实的模拟 包括TeV的围嘴,裁判。17)发现希格斯玻色子和之间的耦合 - - - - - -夸克可以测量的百分比与ab¹收集到的数据。

在这里,我们提出一个electron-muon对撞机与非对称碰撞的,例如,20 - 200 GeV 50 - 1000 GeV,和100 - 3000 GeV electron-muon光束能量,分别对应于重心能源126.5 GeV GeV GeV 447.2和1095.4。在历史上,欧洲核子研究中心和布鲁克海文分散μ介子在1960年代,使用accelerator-producedμ介子GeV规模电子目标,并测量弹性散射截面(18- - - - - -20.]。在1990年代末,μ介子的散射偏振SMC用电子合作在欧洲核子研究中心作为高能子光束的偏振计(21]。最近,一个新的实验,MUonE [22),提出了通过弹性散射的高能μ介子在150 GeV原子电子,确定主要强子对μ介子的贡献 - - - - - -2。正面electron-muon对撞机首次提出是在1990年代(23- - - - - -25)主要探测带电轻子味违反(CLFV) [26),然而,没有跟进的社区。在这里,我们提出一个electron-muon对撞机首次与更详细的配置运行在低和高的能量,与更广泛的物理目标涵盖CLFV和希格斯粒子的研究。

现在我们详细说明electron-muon对撞机的物理情况。上面的不对称碰撞概要提出是出于这一事实μ介子可以加速到更高的能量比电子更容易得多。非对称electron-muon对撞机操作以上提出的能量可以作为一个中间步骤之间的电子对撞机muon-muon对撞机。这种新型对撞机的优点是,它允许直接研究的带电轻子味违反在近background-free环境中,与其他轻子对撞机相反。电子的碰撞和μ介子束导致更少的物理背景与一个电子或muon-muon梁相比,因为背景物理过程大多是高阶矢量玻色子融合或散射过程。此外,非对称梁剖面往往产生碰撞的产品提高了对电子束的一面,它可以利用减少μ介子围嘴从上游μ介子束在很大程度上,例如,通过添加一个屏蔽喷嘴的μ介子与大型锥尺寸没有多少损失的认可。

截面重心的依赖能源的六个主要SM过程electron-muon对撞机如图1。在图的两个主要流程1向量玻色子融合或散射过程吗 和 。的横截面 863 291 fb (fb) TeV (1.0 TeV)的横截面 209 75 fb (fb) TeV (1.0 TeV)。

一个electron-muon对撞机可以运行在多个搜索CLFV能量 和 ,或 ,等。在这里,我们以希格斯CLFV为例(其他一些例子讨论了(26观察]),这很有趣,因为它可以提供洞察一些基本问题,比如,是否有二次电弱对称性破缺机制。 已经研究了在大型强子对撞机27,28),和最严格的限制,到目前为止,从阿特拉斯 (28]。CEPC预计限制 (29日]。在本文中,我们实现了希格斯粒子CLFV模型(27]在MadGraph5_aMC@NLO [30.),CLFV汤川联轴器 默认设置为匹配当前限制Br ( )从裁判。28]。在图2,我们展示了一个能量扫描附近 GeV(例如,20 - 200 GeV electron-muon光束能量)对希格斯粒子CLFV生产 有和没有初始状态辐射(ISR)的影响(31日,32),占主导地位的背景 electron-muon对撞机。信号峰值截面大约是5.3 pb,而背景截面大约是0.1 fb。基于一个简单的估计与信号和背景收益率,与1 fb¹的数据在 GeV, electron-muon对撞机应该已经能够获得更好的限制100倍希格斯CLFV从阿特拉斯比当前最好的结果。警告,希格斯粒子的实际产量取决于卷积的μ介子束能量剖面与希格斯粒子生产截面,不仅仅是峰值截面,讨论裁判。14]。

一个electron-muon对撞机也能作为一个希格斯工厂,使用非对称碰撞的,例如,50 - 1000 GeV和100 - 3000 GeV electron-muon光束能量,分别对应于重心能量GeV GeV的447.2和1095.4。我们想强调一个electron-muon对撞机的两个优点:(1)由于没有CLFV SM,得到更少的物理背景与其他相同风格的轻子对撞机。占主导地位的背景 与 是 与 这可以进一步有效地减少了对di的不变的质量——选择喷气式飞机;(2)非对称梁碰撞能量往往产品提高了对电子束的一面,如图3可以利用,这在很大程度上减少子围涎,例如,通过添加一个屏蔽喷嘴的μ介子与大型锥尺寸没有多少损失的认可。

的横截面 与 取决于 在哪里耦合的希格斯玻色子玻色子,耦合的希格斯玻色子夸克,希格斯玻色子的宽度。从上面的公式,我们可以进一步获取的不确定性作为

大约估计的精度测量electron-muon对撞机,我们假设 一样可以测量的精度在按33保守),3%的不确定性。横截面的不确定性可以近似 在哪里和的数量是 分别和背景事件。

和 样品使用MadGraph5_aMC@NLO生成(30.)和界面上的皮提亚(34帕顿洗澡和hadronization]。执行一个快速模拟使用德尔菲版本3 (35子对撞机配置。我们要求领导和subleading - - - - - -标记的飞机满足 GeV和 (对应于40.4°屏蔽子梁端的喷嘴)。图4显示了不变的质量分布 - - - - - -飞机在这之后选择标记。

我们要求 抑制背景,然后评估基于方程(横截面上的不确定性3)。考虑到 不确定性,我们估计的精度在不同碰撞计划使用的信号和背景事件后的选择。表中列出的结果1,显示的测量精度在electron-muon对撞机与秩序ab在百分之几级¹的数据和由不确定性 。

所需的基础设施产生电子和μ介子束能量低于100 GeV将小线性或圆形加速器。TeV的μ介子束规模可以达到在kilometer-sized存储戒指。设置,可以生成电子和正电子梁或μ介子和antimuon梁或偏振光束,应考虑进一步丰富物理结果。这样的轻子对撞机复杂可以从碰撞开始订单10 GeV电子和μ介子束在历史上首次探测CLFV,然后升级到一个与50 - 100 GeV电子对撞机,1 - 3 TeVμ介子束测量希格斯粒子的属性和探测新物理学之外的SM包括CLFV进一步,最终转换为TeV-scale muon-muon对撞机。成本应该从订单1亿几十亿美元36),对应于不同阶段,使资金情况更实用。注意,这样的轻子对撞机复杂也能作为一个μ介子在各种能源鳞片一般的科学研究。

总而言之,我们提出了一种新型对撞机碰撞电子和μ介子与不对称的能量光束,并显示它有巨大的潜力来探测带电轻子味违反并测量精确的希格斯粒子属性。一个electron-muon对撞机不如一个电子对撞机或物理背景muon-muon对撞机。不对称光束能量碰撞导致产品提高了对电子束的一面,可以利用在很大程度上减少μ介子围嘴。这样的对撞机能量可以在质量重心几伏特的电压,可以作为一个中间一步未来高能物理设施。我们敦促社区认真考虑这个新选项。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

信息披露

作品曾作为在arXiv预印:https://arxiv.org/abs/2010.15144。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是支持由中国国家自然科学基金批准号12075004下,大多数在2018 yfa0403900批准号。

引用

1. CMS协作”,观察一个新的玻色子的质量与CMS实验125 GeV LHC,”B物理快报,卷716,p . 2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 阿特拉斯合作,“观察一个新粒子在寻找标准模型的希格斯玻色子超导环场探测器(大型强子对撞器探测器,“B物理快报,卷716,不。1、1至29,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. CMS协作”,观察新的玻色子的质量在pp 125 GeV附近√s = 7和8 TeV碰撞,“高能物理学杂志》上,卷2013,不。6,81年,页2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 阿特拉斯合作,”希格斯玻色子的测量生产和耦合diboson ATLAS探测器在大型强子对撞机,”B物理快报,卷726,不。1 - 3、88 - 119年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 阿特拉斯合作,”希格斯玻色子的自旋为0性质的证据使用阿特拉斯数据,”B物理快报卷,726年,第144 - 120页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. CMS协作”,精确测定希格斯玻色子的质量和兼容性的测试与标准模型的耦合预测在7和8 TeV使用质子对撞,”欧洲物理期刊C,第75卷,第212页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. CMS协作”,限制spin-parity和异常HVV联轴器的希格斯玻色子在7和8 TeV质子对撞,”物理评论D第012004条,卷。92年,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. ATLAS和CMS的合作合作,”希格斯玻色子的质量的综合测量在pp碰撞√s = 7和8 TeV的ATLAS和CMS实验,”物理评论快报第191803条,卷。114年,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. https://europeanstrategy.cern/。
10. x c·维达尔m d 'Onofrio, p . j .福克斯et al .,“报告工作组3:超越标准模型物理HL-LHC HE-LHC,”欧洲核子研究中心黄色报告:专著7卷,第865 - 585页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. j·l·Abelleira费尔南德斯c . Adolphsen A . n . Akay et al .,“电子大型强子对撞机在欧洲核子研究中心的一份报告在物理和设计概念机和探测器,“物理学杂志G:核和粒子物理,39卷,不。7日,第075001条,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. j.p.拍品,m . Diemoz k长et al .,“子对撞机”,2019年,http://arxiv.org/abs/1901.06150。视图:谷歌学术搜索
13. d·舒尔特:Pastrone, k .长,“草图子对撞机,”欧洲核子研究中心快递,60卷,不。3,41-46,2020页。视图:谷歌学术搜索
14. m·格列柯,t·汉和z . Liu“ISR影响谐振希格斯生产在未来的轻子对撞机,”B物理快报卷,763年,第415 - 409页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. a . Costantini f . De签约,f . Maltoni et al .,“向量玻色子融合在multi-TeVμ子对撞机,”高能物理学杂志》上,第2020卷,第80页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. d . Buttazzo d Redigolo、f·萨拉和a . Tesi”融合向量在高能轻子对撞机标量,”高能物理学杂志》上,卷2018,不。11,144年,页2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. n . Bartosik a . Bertolin l . Buonincontri et al .,“子对撞机探测器和物理性能,”《仪器,15卷,不。5篇文章P05001 2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. g . Backenstoss b . d . Hyams g .顶华·c·马林和美国Stierlin 8-GeV散射μ对电子介子。”物理评论,卷129,不。6,2759 - 2765年,1963页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. t·柯克和美国Neddermeyer高能正负μ介子的散射电子,”物理评论第1412条,卷。171年,1968年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. p . l . Jain和n . j . Wixon“高能正负μ介子的散射电子,”物理评论快报,23卷,p。715年,1969年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. d·亚当斯,b . Adeva t Akdogan et al .,“使用不对称的SMCμ介子束偏振测量电子的弹性散射两极分化,“核仪器和方法在物理研究部分:加速器,光谱仪,探测器和相关设备,卷443,不。1 - 2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. g . Abbiendi c . m . c . Calame,马可尼et al .,“测量强子贡献μ介子g2通过μe散射。”欧洲物理期刊C:粒子和字段,卷77,不。3,p。139年,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. g . W.-S。侯”,可能的共振μ+ e−→μ−e +碰撞。”核物理B -程序补充,51卷,不。1,40至49,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 郑胜耀崔y . j . Kwon c . s . Kim和s h·李,“高能源throughe FCNC搜索μ对撞机”,物理评论D卷,57号11日,第7026 - 7023页,1998年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. 诉Barger、美国Pakvasa和x塔塔”是eμ对撞机有趣吗?”B物理快报,卷415,不。2、200 - 204年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. f·西和p . Ciafaloni轻子味违反muon-electron对撞机,”高能物理学杂志》上,卷2020,不。10,33页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. CMS协作”,寻找希格斯玻色子的轻子味违反衰变eτ和eμ在√s = 8 TeV与质子间的对撞,”B物理快报卷,763年,第500 - 472页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. 阿特拉斯合作”,寻找希格斯玻色子衰变H→ee和H→eμ在pp碰撞√s = 13 tev ATLAS探测器”B物理快报第135148条,卷。801年,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. 问:秦,李问:c, d, f·s . Yu和s . h .周“带电轻子味违反了希格斯粒子衰变在未来的e + e -对撞机,”欧洲物理期刊C,第78卷,第835页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. j . Alwall r . Frederix s Frixione et al .,“树层次的自动计算和next-to-leading阶微分截面,及其匹配帕顿淋浴模拟,”高能物理学杂志》上,第1407卷,第79页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. 问:李和Q.-S。燕”、与MadGraph辐射模拟初始状态”,http://arxiv.org/abs/1804.00125。视图:谷歌学术搜索
32. 问:g . c . z程Chen Li Li m .阮l . Wang和严问:美国,”H→e + e−CEPC:初始状态与MadGraph辐射效应,”物理学杂志G:核和粒子物理,45卷,不。1,第015004条,2018。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. h . Abramowicz a . Abusleme k Afanaciev et al .,“希格斯粒子物理学CLIC正负电子直线对撞机”,欧洲物理期刊C:粒子和字段,卷77,不。7,475年,页2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. t . Sjostrand美国问,j·r·克里斯琴森et al .,“8.2介绍皮提亚,”计算机物理通信卷,191年,第177 - 159页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. 德尔菲3合作,”德尔菲3:模块化的框架,用于快速仿真的通用对撞机实验中,“高能物理学杂志》上,卷1402,p . 2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. 诉Shiltsev”,考虑能源前沿对撞机LHC之后,“2017年,http://arxiv.org/abs/1705.02011。视图:谷歌学术搜索
37. m . Boronat j .柱身。加西亚,e . Ros和m . Vos,”一个健壮的喷气重建算法高能轻子对撞机,”B物理快报卷,750年,第99 - 95页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2021陆孟et al。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。这篇文章的出版由SCOAP资助³。