[論文レビュー] Complementarity in lepton-flavour violating muon decay experiments

Andreas Crivellin, Sacha Davidson+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、電弱スケール未満の有効場理論フレームワークを用いて、レプトン数不変性を破るミューオン崩壊（μ→eγ および μ→3e）を分析し、1ループの相互作用群の進化を組み込む。MEG II と Mu3e の実験が相補的であることを示している。μ→eγ は電気双極子モーメント型演算子に敏感である一方、μ→3e はγ崩壊探索では到達できない、特異なパラメータ空間領域を探索でき、双極子型および4フェルミオン型演算子のみが存在する場合、Mu3e が最も厳しい制限を与えると予想される。

ABSTRACT

This note presents an analysis of lepton-flavour-violating muon decays within the framework of a low-energy effective field theory that contains higher-dimensional operators allowed by QED and QCD symmetries. The decay modes $μ o e γ$ and $μ o 3e$ are investigated below the electroweak symmetry-breaking scale, down to energies at which such processes occur, i.e. the muon mass scale. The complete class of dimension-5 and dimension-6 operators is studied systematically at the tree level, and one-loop contributions to the renormalisation group equations are fully taken into account. Current experimental limits are used to extract bounds on the Wilson coefficients of some of the operators and, ultimately, on the effective couplings at any energy level below the electroweak symmetry-breaking scale. Correlations between two couplings relevant to both processes illustrate the complementarity of searches planned for the MEG II and Mu3e experiments.

研究の動機と目的

• 電弱スケール未満の有効場理論フレームワーク内で、レプトン数不変性を破るミューオン崩壊（μ→eγ および μ→3e）を体系的に分析すること。
• 近い将来の MEG II および Mu3e 実験が、LFV演算子の異なるパラメータ空間領域をどのように探査するかの相補性を特定すること。
• 現在の実験的制限と1ループの相互作用群の進化を用いて、さまざまなエネルギースケールにおけるウィルソン係数の堅牢な制限を抽出すること。
• μ→eγ では探査できないが、μ→3e で到達可能なパラメータ空間領域を特定すること、特に双極子型および4フェルミオン型演算子が混合する場合を想定する。

提案手法

• QED および QCD 対称性を満たすすべての次元5および次元6の演算子を含む低エネルギー有効ラグランジアンを構築すること。
• すべての関連する高次元演算子を含めた、μ→eγ および μ→3e 崩壊振幅の木レベル解析を実施すること。
• ウィルソン係数の1ループ相互作用群方程式（RGE）を計算し、演算子間の混合を考慮すること。
• 現在の実験的制限（Br(μ→eγ) ≤ 4.2×10⁻¹³ および Br(μ→3e) ≤ 1.0×10⁻¹²）を用いて、ミューオン質量スケールにおけるウィルソン係数を制約すること。
• RGE を用いて、電弱対称性の破れスケールからミューオン質量スケールへとウィルソン係数を進化させること。
• 双極子型および4フェルミオン型演算子の相関を分析し、MEG II と Mu3e 実験の相補性を示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次元5および次元6の演算子に対するウィルソン係数の相互作用群進化が、LFV崩壊の分岐比解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ2 MEG II と Mu3e 実験が、LFVパラメータ空間の異なる領域をどれほど相補的に探査できるか？
• RQ3 有効理論における双極子型および4フェルミオン型演算子の特定の組み合わせに対して、どの崩壊モード（μ→eγ または μ→3e）がより感度が高いか？
• RQ4 感度が向上したとしても、μ→3e チャネルが μ→eγ 実験では到達できないパラメータ空間領域を探索できるか？
• RQ5 現在の実験的制限とRGE進化を用いて、電弱スケールにおけるウィルソン係数の最も強い制限は何か？

主な発見

• μ→3e 崩壊モードは、双極子型および4フェルミオン型演算子が共に存在する場合、μ→eγ 実験では到達できないパラメータ空間領域を探索する。
• MEG II 実験は、Br(μ→eγ) について 4×10⁻¹⁴ の感度に達すると予想され、現在の制限より10倍改善される。
• Mu3e 実験は、Br(μ→3e) について現在の制限より4桁の改善が予想され、4フェルミオン型演算子の探査において最も感度が高いプローブとなる。
• 他の混合演算子が存在しない場合、Mu3e 実験の最終段階では、双極子型および4フェルミオン型演算子の結合パラメータ空間に対する最も厳しい制限が得られる。
• 1ループRGE進化は、特にEWSBスケールで C₆^{T_bb} のような演算子が生成される場合、ウィルソン係数の走破に顕著な影響を与え、低エネルギー観測量の解釈に影響を及ぼす。
• RGE進化の下でも、MEG II と Mu3e の相補性は堅牢であり、双極子型および4フェルミオン型結合の相関構造がエネルギースケールを越えて保存される。