Comprehensive constraints on ALP couplings from future $$e^+e^-$$ colliders, muon $$g-2$$, thermal dark matter and Higgs measurements

Abstract In this article, we present projected 95% C.L. limits on axion-like particle (ALP) couplings from ALP production at a future $$e^+e^-$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> collider operating at $$\sqrt{s} = 250~\text {GeV}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>250</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>GeV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> with integrated luminosity $$L = 0.5~\text {ab}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>L</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0.5</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>ab</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . We constrain the effective couplings $$g_{\gamma \gamma }$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>g</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> , $$g_{Z\gamma }$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>g</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> , $$g_{ZZ}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>g</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>ZZ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> , and $$g_{WW}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>g</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>WW</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> over the ALP mass range $$20~\text {GeV} \le m_a \le 100~\text {GeV}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>20</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>GeV</mml:mtext> <mml:mo>≤</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:mi>a</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>≤</mml:mo> <mml:mn>100</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>GeV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> , finding projected bounds at the level of $$\mathcal {O}(10^{-1})~\text {TeV}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>O</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>TeV</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> for $$g_{\gamma \gamma }/f_a$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>g</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>γ</mml:mi> <mml:mi>γ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mi>a</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> . Given that the latest muon anomalous magnetic moment measurement ( $$\Delta a_\mu $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:msub> <mml:mi>a</mml:mi> <mml:mi>μ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) shows no statistically significant deviation from the Standard Model prediction, we reinterpret the ALP contributions to $$\De