[論文レビュー] Electron Beam Dump Constraints on Light Bosons with Lepton Flavor Violating Couplings

Takeshi Araki, Kento Asai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 86被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、電子ビームダンプ実験、特にE137実験を用いて、軽い、弱く相互作用するボソンがレプトンのフレーバー違反を示す場合の新たな制約を導出している。ミュオンのフレーバー違反崩壊では制約が得られないパラメータ領域が、電子ビームダンプ探索によって除外可能であることが示され、スカラー、ベクトル、および電気双極子型の相互作用において、標準模型を超える新しい物理の制限が顕著に改善されている。

ABSTRACT

We study constraints on light and feebly interacting bosons with lepton flavor violation from electron beam dump experiments. Scalar, vector, and dipole interactions of the bosons are analyzed, respectively, and excluded regions from the searches for decays into electron-positron pairs are derived. It is found that parameter regions unconstrained by flavor violating decays of muon can be excluded using the results of the E137 experiment. We also discuss the impact of the search for flavor violating decays of the light bosons in electron beam dump experiments.

研究の動機と目的

• 電子ビームダンプ実験の、レプトンのフレーバー違反を示す軽い、弱く相互作用するボソンを探索する能力を拡張すること。
• スカラー、ベクトル、および双極子型の相互作用における電子-ミュオンフレーバー違反を伴う新しい除外限界を導出すること。
• 電子ビームダンプ実験の感度を、既存のミュオンのフレーバー違反崩壊（例：μ→eγ）からの制限と比較すること。
• 将来のビームダンプ実験が、従来制約が得られていなかったパラメータ空間の領域をどのように探査できるかを評価すること。
• 標準模型を超えたレプトンのフレーバー違反を有するモデルにおけるビームダンプ実験結果の解釈フレームワークを提供すること。

提案手法

• スカラー粒子のヤコビ型相互作用、ベクトル粒子のベクトル型カップリング、および双極子型相互作用を含む3つのベンチマークモデルを分析する。
• 運動量と位相空間の計算を用いて、電子ビームダンプ内でのブレムストラールング過程による生成断面積を導出する。
• E137実験のデータと検出器の幾何構造を適用し、e⁺e⁻対への崩壊に対する信号イベントレートを計算する。
• 部分崩壊幅の計算にカレン関数を用いる。φ→ℓℓ̄およびℓe→eφ過程の計算に使用する。
• 期待される信号イベント数とE137の欠落エネルギーまたはずれた頂点イベントに対する上限を比較し、除外限界を導出する。
• 結果をボソン質量の関数として、カップリング定数（y′eμ, g′sc, μ′）に対する制約に翻訳する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 E137のような電子ビームダンプ実験は、ミュオンの崩壊では制約が得られない、レプトンのフレーバー違反を示す軽いボソンのパラメータ領域を除外できるか？
• RQ2 E137によるスカラー、ベクトル、および双極子型相互作用の制約は、μ→eγおよびμ→e+e−過程からの既存の制限と比較してどうなるか？
• RQ3 ビームダンプ実験は、1GeV未塔の質量範囲におけるレプトンのフレーバー違反カップリングに対してどの程度感度を持つのか？
• RQ4 どの質量およびカップリング領域で、ビームダンプ実験が純粋なレプトンのフレーバー違反崩壊の探査能力を上回るのか？
• RQ5 異なる相互作用タイプ（スカラー、ベクトル、双極子）を仮定した場合、導出された除外限界にどのような影響を与えるか？

主な発見

• E137の電子ビームダンプ実験は、レプトンのフレーバー違反カップリングを示す軽いボソンの、従来制約が得られていなかったパラメータ空間の領域を除外した。
• スカラー粒子の場合、E137実験はmφ ≲ 100 MeVの範囲でカップリングy′eμ ≲ 10⁻⁵の新たな上限を設定し、ミュオン崩壊の制限を上回った。
• ベクトル粒子（Z′）の場合、mZ′ ≲ 100 MeVの範囲でE137のg′scに対する制限がμ→eγの制限を上回った。
• 双極子型相互作用（A′）の場合、mA′ ≲ 100 MeVの範囲でE137実験がμ′に対する最も強い制限を提供し、μ′ ≲ 10⁻⁵となった。
• 特に軽いボソンに対しては、ビームダンプの制限がミュオンの崩壊による制限と同等またはそれを上回る性能を示した。
• 本研究は、電子ビームダンプ実験が、標準模型を超えるレプトンのフレーバー違反新物理を強力に探査できる手段であることを示した。