[論文レビュー] Lepton Universality Test of Extra Leptons using Hadron Decay

Motoi Endo, Takahiro Yoshinaga|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、レプトンのフレーバー普遍性におけるWおよびZボソンの結合の高感度でモデルに依存しないプローブとして、バリオンのパイオン崩壊（π→ℓν）が、近い将来に電弱精度観測量（EWPOs）を上回ることを提案している。実証されたように、比 Rπ→e/μ は95%信頼水準で約1×10⁻³の感度に達することができ、特にWおよびZボソンへの非普遍的結合が強く相関しない場合、現在のEWPO制約と競合またはそれを上回る。

ABSTRACT

We study the flavor universality of the lepton couplings with the W and Z bosons. Currently, it is constrained by the electroweak precision observables. We focus on the leptonic decay of the pion. It is shown that the decay is expected to have a comparable or better sensitivity to the lepton-flavor universality in the near future. Furthermore, it provides a complementary information in determining the Wlnu couplings without assuming new physics models. This result is applied to a model of the extra lepton.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えて、WおよびZボソン結合におけるレプトンのフレーバー普遍性を調査すること。
• 既存の電弱精度観測量（EWPOs）と比較して、レプトンのパイオン崩壊（π→ℓν）がWℓν結合における非普遍性にどの程度感度を有するかを評価すること。
• 特定の新しい物理のシナリオを仮定せずに、Wℓν結合のモデルに依存しないプローブを提供すること。
• 追加のレプトンモデルの文脈において、パイオン崩壊がEWPO制約を補完し、それを上回る可能性を評価すること。
• ミュオンのg−2異常を解消できる可能性がある、ベクトル型の追加レプトンの具体的なモデルにその結果を適用すること。

提案手法

• Wℓν結合への補正 δg^{Wℓν} をパrameter化するモデルに依存しない有効場理論の手法を用い、Δg^{Wℓν} = 1 − δg^{Wℓν} で定義する。
• 電子とミュオンの普遍性の直接的プローブとして、比 Rπ→e/μ = Γ(π→eν)/Γ(π→μν) を分析し、δg^{Weν_e} および δg^{Wμν_μ} に敏感である。
• 運動論的および標準模型（SM）の予測に基づいて導出された関係式 Rπ→e/μ ≈ (1 − 2δg^{Weν_e} + 2δg^{Wμν_μ}) × Rπ→e/μ^{SM} を適用する。
• EWPOsの現在および将来の制約、特に (λ_E v / M_E)^2 の組み合わせに対するパイオン崩壊の感度を比較する。
• スモール・レプトンにベクトル型の質量とYukawa結合を有する具体的な追加レプトンモデルを構築し、混合行列 U_L を介してWおよびZ結合への補正を計算する。
• δg^{Wμν_μ} ≈ ½(λ_E v / M_E)^2 および δg^{Zμμ}_L ≈ ½(λ_E v / M_E)^2 を導出し、補正が近似的に等しいことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトンのパイオン崩壊は、現在の電弱精度観測量（EWPOs）よりも、Wℓν結合におけるレプトンのフレーバー普遍性の破れをより感度良く探査できるか？
• RQ2 特定の新しい物理のモデルを仮定せずに、パイオン崩壊比 Rπ→e/μ はWμν_μ結合への非普遍的補正をどの程度制約できるか？
• RQ3 ミュオンのg−2異常を解消できる追加レプトンを含むモデルにおいて、WおよびZボソン結合補正の間にはどのような相関があるか？
• RQ4 パイオン崩壊測定は、個々のWℓν結合補正を解きほぐすために、EWPOsをどの程度補完できるか？
• RQ5 将来のパイオン崩壊実験の感度は、(λ_E v / M_E)^2 に関して、現在のEWPO制限と比較してどの程度のものか？

主な発見

• 比 Rπ→e/μ は、ハドロンの不確かさに影響されない、Wℓν結合における電子とミュオンの普遍性の明確なプローブである。
• 現在のEWPOsによる (λ_E v / M_E)^2 への制約は、95%信頼水準で約 −1×10⁻³ ≤ (λ_E v / M_E)^2 ≤ 3×10⁻³ であり、標準模型と整合的である。
• 将来のパイオン崩壊実験では、95%信頼水準で約1×10⁻³の感度に達すると予想され、現在のEWPO制限の2倍の感度向上が見込まれる。
• パイオン崩壊比は、WおよびZ結合が強く相関しない場合に特に、EWPOsと補完的な情報を提供する。
• 特定の追加レプトンモデルにおいて、δg^{Wμν_μ} ≈ δg^{Zμμ}_L ≈ ½(λ_E v / M_E)^2 であることが示され、WおよびZ結合補正の直接的な関連性が示された。
• したがって、パイオン崩壊測定は、EWPOsによって完全に制約されないモデルにおいて、Wℓν結合における非普遍性の競合的または優れたプローブとして機能する可能性がある。