[論文レビュー] Lepton universality and lepton flavor conservation tests with dineutrino modes

Rigo Bause, Hector Gisbert+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、クォークのフラバー変換を伴う電荷無し中性荷重の過程における二ニュートリノ崩壊モードを用いて、モデルに依存しないレプトン普遍性およびレプトンフラバー保存の検証を提案する。SU(2)L 対称性を用いてニュートリノとチャージドレプトンの結合を関連づけ、Belle II、BES III、および将来の e⁺e⁻ またはミューオン衝突機におけるニュートリノ欠損エネルギー測定が、レプトンフラバー構造を通じて新しい物理を探索可能であることを示している。

ABSTRACT

$SU(2)_L$-invariance links charged dilepton and dineutrino couplings. Phenomenological implications are worked out for flavor changing neutral currents involving strange, charm, beauty and top quark transitions in a model-independent way. We put forward novel tests of lepton universality and lepton flavor conservation in $|Δc|= |Δu|=1$ and $|Δb|= |Δq|=1$, $q=d,s$, transitions suitable for the experiments Belle II and BES III. Single top production plus dileptons uniquely probes semileptonic four-fermion $|Δt|= |Δq'|=1$, $q'=u,c$, couplings and further study at the LHC is encouraged. Tests with single top production associated with dileptons and missing energy are suitable for study at future $e^+ e^-$ or muon colliders.

研究の動機と目的

• 珍しいクォーク崩壊における欠損エネルギー（二ニュートリノ）観測量を用いた、モデルに依存しないレプトン普遍性およびレプトンフラバー保存のテスト手法を確立すること。
• チャージドレプトンとニュートリノの結合の間の $SU(2)_L$-不変関係を活用し、チャージドレプトン対と二ニュートリノ振幅を結びつけることで、レプトンフラバー構造の間接的テストを可能にすること。
• 特に $|\Delta c|=|\Delta u|=1$ および $|\Delta t|=|\Delta q'|=1$ 遷移において、charm、beauty、top クォーク系における新しい物理のための新規で実用的な実験的プローブを同定すること。
• Belle II、BES III、および $e^+e^-$ 衝突機のような将来の実験が、これらの NP 信号、特にダブルレプトンまたは欠損エネルギーを伴うシングルトップ生成に対してどの程度感度を持つかを評価すること。
• 右巻きニュートリノがこれらのテストに与える影響を特定し、干渉効果を理論的不確実性の範囲に抑えるために必要な、改善された分岐比の上限を同定すること。

提案手法

• 標準模型効果的場理論（SMEFT）を用いて、SM のゲージおよびローレンツ不変性を保ったまま、次元6の四フェルミオン型オペレーターによるNPのパラメータ化を行う。
• 左巻きチャージドレプトンとニュートリノ結合の間の $SU(2)_L$-不変関係を適用し、チャージドレプトン対観測量から二ニュートリノモードへの写像が可能になる：$O(\nu\bar{\nu}) = \sum_{i,j} O(\ell_i^-\ell_j^+)$。
• レプトン普遍性およびcLFC（チャージドレプトンのフラバー不変性）の仮定の下で、全チャージドレプトンフラバー通道の和をとることで、二ニュートリノ分岐比に対するモデルに依存しない制約を導出する。
• $|\Delta c|=|\Delta u|=1$ および $|\Delta b|=|\Delta q|=1$（$q=d,s$）遷移、および $|\Delta t|=|\Delta q'|=1$ の過程を分析し、特にトップクォークのFCNCおよびダブルレプトンを伴うシングルトップ生成に注目する。
• LHC における感度を評価し、3000 fb⁻¹ で $\mathcal{K}_R^{tc\mu\mu} \lesssim 22$ および $\mathcal{K}_R^{tu\mu\mu} \lesssim 2.2$ を探査可能であると示し、欠損エネルギー分布の運動学的解析を提案する。
• 右巻きニュートリノが四フェルミオン型オペレーターに与える影響を検討し、$D^0\to\nu\bar{\nu}$ および $B_d^0\to\nu\bar{\nu}$ の分岐比に対する改善された上限があれば、それらの影響が理論的不確実性の範囲に収束することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして $SU(2)_L$-不変性を用いて、欠損エネルギー（二ニュートリノ）崩壊におけるレプトン普遍性およびレプトンフラバー保存をテストできるか？
• RQ2 レプトン普遍性およびcLFCの仮定の下で、$c\to u\,\nu\bar{\nu}$ および $t\to b\,\nu\bar{\nu}$ の分岐比に対するモデルに依存しない上限は何か？
• RQ3 チャージドレプトン対モードからの実験的制約は、珍しいcharmおよびbeauty崩壊における二ニュートリノ分岐比にどのように影響するか？
• RQ4 $|\Delta t|=|\Delta u|=1$ および $|\Delta t|=|\Delta c|=1$ の半レプトン的四フェルミオン結合を、ダブルレプトンまたは欠損エネルギーを伴うシングルトップ生成でどの程度探査可能か？
• RQ5 右巻きニュートリノは二ニュートリノ崩壊の上限解釈にどの程度影響を及ぼし、どのような改善された測定によりその影響を抑えることができるか？

主な発見

• SU(2)_L-不変関係により、チャージドレプトンデータから $O(\nu\bar{\nu})$ の上限を導出可能であり、これにより、欠損エネルギーモードにおけるレプトン普遍性およびcLFCのモデルに依存しないテストが可能になる。
• $c\to u\,\nu\bar{\nu}$ に対して、レプトン普遍性、cLFC、cLFV（チャージドレプトンのフラバー破れ）のベンチマークの下で二ニュートリノ分岐比の上限をまとめ、最も厳しい制約として $\mathcal{B}(D^0\to\nu\bar{\nu}) < 9.4 \times 10^{-5}$（90%信頼区間）が得られる。
• $c\to u\,\nu\bar{\nu}$ の観測は、標準模型のアーリアス・スクリーニングによりほぼゼロに近いアモーチュが期待されるため、明確な新しい物理の兆候である。
• 3000 fb⁻¹ のLHC感度では、$|\mathcal{K}_R^{tc\mu\mu}| \lesssim 22$ および $|\mathcal{K}_R^{tu\mu\mu}| \lesssim 2.2$ を探査可能であり、$|\Delta t|=|\Delta q'|=1$ 結合に対して強い制約が得られる。
• Belle II および $Z$-ファクトリーでは、$B\to K\nu\bar{\nu}$ 対 $B\to K^*\nu\bar{\nu}$ および $B\to \pi\nu\bar{\nu}$ 対 $B\to \rho\nu\bar{\nu}$ の比較を通じたレプトン普遍性のテストが可能である。
• 0.5 ab⁻¹ のデータで $B_s^0\to\nu\bar{\nu}$ の分岐比が $\lesssim 1.1 \times 10^{-5}$ に改善されれば、$|\Delta b|=|\Delta s|=1$ 崩壊における右巻きニュートリノの影響を1%の範囲に制御できる。