[論文レビュー] Feasibility at the LHC, FCC-he and CLIC for sensitivity estimates on anomalous $τ$-lepton couplings

A. Gutiérrez-Rodríguez, M. Köksal+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、光子放出を伴うタウペア生成を通じて、LHC、FCC-he、CLIC加速器のタウレプトンの異常磁気・電気双極子モーメントに対する感受性を評価している。95%信頼水準におけるモデルに依存しない解析により、CLICが最も感受性が高く、3 TeVおよび3000 fb⁻¹の条件下で、$ ilde{a}_{ au}$ に対して $[-0.00128, 0.00105]$、$| ilde{d}_{ au}|$ に対して $6.44 imes 10^{-18}$ を達成し、LHC や FCC-he を上回っている。

ABSTRACT

In this paper, we present detailed studies on the feasibility at $pp$, $e^-p$ and $e^+e^-$ colliders for model-independent sensitivity estimates on the total cross-section and on the anomalous $τ^+τ^-γ$ interaction through the tau pair production channels $pp o pτ\bar τγp$, $e^-p o e^- τ\bar τγp$ and $e^+e^- o e^+ τ\bar τγe^-$ at the $γ^*γ^* o τ^+τ^-γ$ mode. Measurements of the anomalous couplings of the $τ$-lepton $ ilde{a}_τ$ and $ ilde{d}_τ$ provide an excellent opportunity to probing extensions of the Standard Model. We estimate the sensitivity at the $95\%$ Confidence Level, and we consider that the $τ$-lepton decays leptonically or semi-leptonically. We found that of the three considered colliders, the future CLIC at high energy and high luminosity should provide the best sensitivity on the dipole moments of the $τ$-lepton $ ilde a_τ= [-0.00128, 0.00105]$ and $ | ilde{d}_τ({ m ecm})|= 6.4394 imes 10^{-18}$, which show a potential advantage compared to those from LHC and FCC-he.

研究の動機と目的

• 将来の加速器における $\gamma$ タグ付きタウペア生成を用いた、異常な $\tau^+\tau^-$ 耦合の検出可能性を評価すること。
• $pp$、$e^-p$、$e^+e^-$ 加速器がタウレプトンの磁気双極子モーメント ($\tilde{a}_{\tau}$) および電気双極子モーメント ($\tilde{d}_{\tau}$) に対して示す感受性を比較すること。
• LHC、FCC-he、CLIC における $\tilde{a}_{\tau}$ および $|\tilde{d}_{\tau}|$ のモデルに依存しない95%信頼水準での感受性推定値を提供すること。
• 異なる全エネルギーおよびビーム強度が、異常なタウレプトン耦合の検出領域に与える影響を評価すること。

提案手法

• $\gamma^*\gamma^*$ 全エネルギーにおける $pp \to p\tau\bar{\tau}\gamma p$、$e^-p \to e^-\tau\bar{\tau}\gamma p$、$e^+e^- \to e^+\tau\bar{\tau}\gamma e^-$ の過程に対して、モデルに依存しない感受性推定が行われた。
• タウレプトンの崩壊は、完全にレプトン的または半レプトン的最終状態として、モンテカルロシミュレーションによってモデル化された。
• 異常な $\tau^+\tau^-\gamma$ 耦合の有効ラグランジアンにおいて、$\tilde{a}_{\tau}$ および $\tilde{d}_{\tau}$ を自由パラメータとして扱った。
• 統計的不確実性の期待値を用いて、10〜3000 fb⁻¹の統合ビーム強度に対応する95%信頼水準で感受性が評価された。
• タウレプトン崩壊生成物の実際の検出器の受容域および再構成効率を仮定した。
• 断面積および信号対背景比の計算により、異常な耦合の検出領域が決定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC が13および14 TeVの全エネルギーで、異常な $\tau^+\tau^-$ 耦合に対して、どの程度のモデルに依存しない感受性を示すか？
• RQ2 FCC-he は、7.07および10 TeVの条件下で、LHC と比較して $\tilde{a}_{\tau}$ および $|\tilde{d}_{\tau}|$ をどの程度の感度で探査できるか？
• RQ3 CLIC が1.5および3 TeVの条件下で、タウレプトンの磁気双極子モーメントおよび電気双極子モーメントに対して、どの程度の感受性を示すか？
• RQ4 高ビーム強度条件下で、CLIC は $\tilde{a}_{\tau}$ および $|\tilde{d}_{\tau}|$ において、LHC や FCC-he よりも優れた感受性を達成できるか？
• RQ5 完全にレプトン的崩壊と半レプトン的崩壊の異なるタウレプトン崩壊モードが、異常な耦合の感受性にどのように影響するか？

主な発見

• CLIC において $\sqrt{s} = 3$ TeV および $\mathcal{L} = 3000$ fb⁻¹ の条件下で、$\tilde{a}_{\tau}$ に対する感受性は95%信頼水準で $[-0.00174, 0.00150]$ に達した。
• 同じCLICの条件において、$|\tilde{d}_{\tau}|$ に対する感受性は、完全にレプトン的崩壊で $8.94 \times 10^{-18}$、半レプトン的崩壊で $6.44 \times 10^{-18}$ であった。
• CLICは3つの加速器の中で最も感受性が高く、3 TeVおよび3000 fb⁻¹の条件下で $|\tilde{d}_{\tau}|$ が $6.44 \times 10^{-18}$ に達し、LHC や FCC-he の限界値を著しく下回った。
• LHC において $\sqrt{s} = 14$ TeV および $\mathcal{L} = 200$ fb⁻¹ の条件下で、$|\tilde{d}_{\tau}|$ に対する感受性は $3.69 \times 10^{-17}$ であった。これはCLICの感度より1桁低い。
• FCC-he において $\sqrt{s} = 10$ TeV および $\mathcal{L} = 1000$ fb⁻¹ の条件下で、$|\tilde{d}_{\tau}| = 1.72 \times 10^{-17}$ が達成され、依然としてCLICの感度を下回った。
• 本研究は、CLICの高ビーム強度とクリアな環境が、異常なタウレプトン耦合の高精度測定に最適な条件を提供することを確認した。