[論文レビュー] Lepton Flavour Violating tau and mu decays induced by scalar leptoquark

Rachid Benbrik, M. Chabab+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、軽いスカラー留数クォークを介して媒介されるレプトンのフレーバー違反（LFV）であるτおよびμ崩壊におけるLFVを調査し、1ループレベルで$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$および$\ell\to\ell'\gamma$の過程の分岐比を計算している。スカラー留数クォークのヤコビ係数が顕著なLFV率を生成できることを示しており、特定のパラメータ選択下では現在の実験的限界に達する分岐比を示している。また、$g-2_\mu$、$\mu$-e変換、およびパイオン崩壊からの制約と整合的であることを示している。

ABSTRACT

We show that the scalar leptoquark Yukawa couplings generate a significant lepton flavour violation. We compute the light scalar leptoquark contributions to the branching ratios (Br) of the lepton flavour violating (LFV) decays $\ell o \ell_i \ell_j \bar{\ell}_j$ and $\ell ightarrow \ell^{\prime} γ$ with (i,j = e,$μ$). We discuss the role of the relevant input parameters to these decay rates which are the Yukawa couplings ($h_{a\ell}$) with ($a=u,c,t$), the light scalar mass $M_{S_{1}}$ and the mixing angle $\sin2θ_{LQ}$. We investigate the experimental limits from $(g-2)_μ$, $μ-e$ conversion and $π o e ν_e, μν_μ$ to get constraint on the input parameter space. We predict that the upper limits on the branching ratios of $τ o \ell_i \ell_j \bar{\ell}_j $ can reach the experimental current limits. We also show that it is possible to accommodate both $τ o \ell_i \ell_j \bar{\ell}_j$ and $τ o \ellγ$ branching ratios for certain choices of LQ parameters.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えた環境で、軽いスカラー留数クォークがレプトンのフレーバー違反崩壊$\ell\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$および$\ell\to\ell'\gamma$をどのように生成するかを調査すること。
• スカラー留数クォークの1ループ寄与が、これらのLFV過程の分岐比に与える影響を計算すること。
• $g-2_\mu$、$\mu$-e変換、および$\pi\to e\nu_e, \mu\nu_\mu$崩壊からの実験的限界を用いて、留数クォークのパラメータ空間を制約すること。
• モデル内で$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$および$\tau\to\ell\gamma$の分岐比を同時に説明可能かどうかを評価すること。

提案手法

• ヤコビ係数$h_{a\ell}$（$a = u,c,t$）を持つスカラー留数クォークモデルを採用し、量子ループレベルでLFVを媒介する。
• 光子およびZボソンのペンギン図とボックス図を用いて、$\ell\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$および$\ell\to\ell'\gamma$崩壊の振幅を計算する。
• 理論的予測は、1ループ積分と$F_1(x)$、$F_2(x)$、$D_0(x,y,z,k)$などの特殊関数を用いて導出され、これらはループ運動量依存性を記述する。
• $g-2_\mu$、$\mu$-e変換、および$\pi\to e\nu_e, \mu\nu_\mu$からの制約を適用し、ヤコビ係数と留数クォーク質量のパラメータ空間を制限する。
• 混合角$\sin 2\theta_{LQ}$とスカラー留数クォーク質量$M_{S_1}$を、分岐比の感度を評価するための主要な入力パラメータとしてモデルに組み込む。
• 理論的予測は、$\text{Br}(\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j) \leq 8\times 10^{-8}$および$\text{Br}(\mu\to e\gamma) < 1.2\times 10^{-11}$を含む、実験的上限と比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定の留数クォークパラメータ選択下で、$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$崩壊の観測可能な分岐比が現在の実験的限界内に達する可能性はあるか？
• RQ2 ヤコビ係数$h_{a\ell}$、留数クォーク質量$M_{S_1}$、および混合角$\sin 2\theta_{LQ}$が、$\ell\to\ell'\gamma$分岐比に与える感度はいかほどか？
• RQ3 他の制約に反しない範囲で、$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$および$\tau\to\ell\gamma$のLFV崩壊を同時にモデルがどのように同時に説明可能か？
• RQ4 $g-2_\mu$、$\mu$-e変換、および$\pi\to e\nu_e, \mu\nu_\mu$からの制約は、スカラー留数クォークモデルの有効なパラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ5 レプトンクォークモデル内での、$\pi\to e\nu_e$と$\pi\to\mu\nu_\mu$の崩壊断面積比における放射修正および干渉効果の役割は何か？

主な発見

• 特定の留数クォークパラメータ選択下で、$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$の分岐比は、現在の実験的上限$8\times 10^{-8}$に達する可能性がある。
• モデルは、特定のヤコビ係数設定下で、$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$および$\tau\to\ell\gamma$崩壊の両方が実験的検出可能であると予測している。
• $\text{Br}(\mu\to e\gamma)$の上限は$<1.2\times 10^{-11}$に制限されており、留数クォーク質量と結合定数に依存するが、この制限をモデルが満たすことが可能である。
• $g-2_\mu$および$\mu$-e変換からの制約は、特に大きなヤコビ係数に対して、許容可能なパラメータ空間を顕著に制限する。
• 比$R = \Gamma(\pi^+\to e\nu_e)/\Gamma(\pi^+\to \mu\nu_\mu)$は、留数クォーク寄与に対して敏感であり、許容可能なずれは$R_{\text{min}} < -1.06\times 10^{-8}~\text{GeV}^{-2}$および$R_{\text{max}} < 2.45\times 10^{-9}~\text{GeV}^{-2}$（95%信頼区間）に制限される。
• モデルの予測では、$\tau\to\mu\gamma$および$\tau\to e\gamma$の分岐比は、それぞれ$6.8\times 10^{-8}$および$1.1\times 10^{-7}$以下に制限され、適切なパラメータ選択下では現在の限界と整合的である。