[論文レビュー] Charged Lepton Flavour Violation in Heavy Particle DEcays

Wolfgang Altmannshofer, C. Caillol+3 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、標準模型を超える新しい物理（New Physics）の文脈において、重い標準模型粒子（Zボソン、ヒッグス粒子、トップクォーク）の崩壊における電荷を帯びたレプトンのフラバー違反（CLFV）をレビューする。標準模型効果的場理論（SMEFT）フレームワークを用いて、現在のLHCの制限と、将来的な加速器（HL-LHC、CEPC、FCC-eeなど）の感度を評価し、将来的な実験がZ崩壊では$10^{-9}$、ヒッグス崩壊では$10^{-5}$のオーダーのCLFV分岐比を探索可能であることを示している。これは、標準模型を超える物理の強力なテストを可能にする。

ABSTRACT

Charged lepton flavor violation is an unambiguous signature for New Physics. Here we present a summary of the theoretical and experimental status of the search for charged lepton flavor violation in heavy particle decays, in particular in the decays of the Z and Higgs bosons, and of the top quark. Decays of beyond-Standard-Model particles such as a Z' or an additional scalar particle are also discussed. Finally the prospects for such searches at proposed future electron-positron colliders are reviewed.

研究の動機と目的

• Z、ヒッグス、トップクォークなどの重い粒子の崩壊における電荷を帯びたレプトンのフラバー違反（CLFV）の理論的・実験的状況を評価すること。
• 特にLHCおよび計画中の将来的なe+e−加速器がCLFV過程を新しい物理の探査手段としてどの程度の感度を持つのかを評価すること。
• CEPCやFCC-eeなどの将来的な加速器が、Zおよびヒッグス崩壊におけるCLFVをどの程度の感度で検出可能かを、効果的場理論モデルの文脈で定量すること。
• CLFVの信号が、$g-2$の異常や他のフラバー物理の異常を説明する可能性を示すこと。

提案手法

• 新しい物理のCLFV過程への寄与を記述するため、標準模型効果的場理論（SMEFT）フレームワークを用い、磁気双極子やヒッグスカレント型の次元6オペレーターを含む。
• LEPおよびLHC（ATLAS/CMS）のデータを用いて、Z → ℓℓ′崩壊の分岐比の制限を分析し、ATLASによる最新の制限（$\mathcal{B}(Z\to\mu e) < 2.62 \times 10^{-7}$）を反映する。
• ヒッグス崩壊の分析では、eμ、eτ、μτ最終状態の組み合わせたインvariant質量を再構築し、運動量のカットを適用し、背景を抑制するためにヒッグス質量と整合性を保つ条件を課す。
• シミュレートされた光度および検出器性能を用いて、将来的なe+e−加速器（CEPC、FCC-ee、ILC）における感度を予測し、信号効率とバックグラウンド抑制率を推定する。
• 特にZ → μeモードにおいて、ミューオンが電子として誤識別されることが主要な系統的要因であるため、検出器のエネルギー分解能および粒子識別性能がCLFV感度に与える影響を推定する。
• トップクォーク崩壊（t → uμe、t → cμe）および共鳴状態探索（例：Z′ → eμ、eτ、μτ）の制限を組み合わせて、BSMモデルを制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z → ℓℓ′崩壊における現在の実験的制限は何か？ そして、それらは新しい物理モデルをどの程度制限するか？
• RQ2 CEPC や FCC-ee などの将来的な e+e− 加速器は、LHC に比べて Z およびヒッグス崩壊における CLFV の感度をどの程度向上させるか？
• RQ3 トップクォーク崩壊における CLFV は、新しい物理をどの程度探査可能か？ また、HL-LHC での予想される感度は何か？
• RQ4 Z およびヒッグス崩壊における CLFV は、ミューオン磁気モーメントの $g-2$ 異常を説明する有効なメカニズムになり得るか？
• RQ5 検出器の性能および再構成効率は、将来的な加速器における Z およびヒッグス崩壊における CLFV 感度にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• ATLAS コラボレーションは、Z → μe 崩壊の制限を $\mathcal{B}(Z\to\mu e) < 2.62 \times 10^{-7}$ まで改善し、以前のLEPの制限よりも7倍も厳しくなっている。
• ヒッグス粒子崩壊における現在最も厳しい制限は、CMSによる $\mathcal{B}(H\to\mu\tau) < 0.15\%$ および $\mathcal{B}(H\to e\tau) < 0.22\%$ であり、ATLASによる $\mathcal{B}(H\to e\mu) < 6.1 \times 10^{-5}$ である。
• HL-LHC では、Z → μe の感度が5倍向上し、$\sim 10^{-7}$ のオーダーに達すると予想され、Z → τe/μτ では $\sim 10^{-6}$ のオーダーに達する。
• 将来的な e+e− 加速器（例：FCC-ee）では、Z → μe に対して $\sim 10^{-9}$、H → eμ に対して $\sim 10^{-5}$ の感度が達成可能であり、検出器性能に依存する。
• H → τℓ モードでは、τ レプトンの分岐比と再構成の困難さのため、信号効率は約5％にとどまり、eμ モードに比べてバックグラウンドが多く、感度が低くなる。
• CEPC および FCC-ee における H → eμ の感度は $\mathcal{B} < 1.2 \times 10^{-5}$ に達すると予想され、H → eτ および H → μτ では $\mathcal{B} < 1.5 \times 10^{-4}$ である。