[논문 리뷰] Charged Lepton Flavour Violation: An Experimental and Theoretical Introduction

Lorenzo Calibbi, G. Signorelli|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 360인용 수 83

한 줄 요약

이 리뷰는 이론적 동기와 CLFV의 실험적 탐색을 조사하며, SM 확장, EFT 접근, SUSY, muon/tau 실험을 자세히 다루고 MEG 한계 및 향후 전망을 제시한다.

ABSTRACT

Charged lepton flavour violating transitions would be a clear signal of new physics beyond the Standard Model. Their search has been carried out in a variety of channels, the most sensitive being those involving a muon: however no positive evidence has been found so far. The MEG experiment has recently set the best limit on such processes by investigating the existence of the $μ o eγ$ decay. In the next decade several experiments are planned to pursue the search for $μ o eγ$, $μ o eee$, $μ o e$ conversion in nuclei, as well as on processes involving the $τ$, to an unprecedented level of precision. In this review we want to give a pedagogical introduction on the theoretical motivations for such searches as well as on the experimental aspects upon which they are based.

연구 동기 및 목표

• 표준 모형(Standard Model) 너머의 새로운 물리학의 탐침으로서 CLFV 탐색에 동기를 부여한다.
• 레톤 플레어 보존이 SM에서 우발적(accidental)임과 그것이 확장에서 어떻게 위반될 수 있는지 설명한다.
• 모델-독립적인 CLFV 프레임워크로서 EFT 접근법을 제시하고 구체적 모델(특히 SUSY)을 논의한다.
• muon 및 tau CLFV 채널에 대한 실험 전략과 주요 현재 한계를 개관한다.

제안 방법

• CLFV를 식별하기 위해 SM의 렌손 부문과 그것의 확장을 검토하여 CLFV의 원인을 확인한다.
• 질량을 가지는 중성미자와 PMNS 혼합이 루프 유도 CLFV의 원천으로서 SM에서의 역할을 논의한다.
• 비정규화(non-renormalisable) 효과 연산자들을 소개한다.
• SUSY 기반의 CLFV 실현, 간소화 모델과 시소우(seesaw) 시나리오를 포함하여 논의한다.
• Higgs 매개 CLFV 및 실험으로부터 비대칭(Higgs 결합의 비대칭성)에 대한 제약을 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 모델 너머에서 관측 가능한 charged lepton flavour violation을 생성할 수 있는 이론적 기제는 무엇인가?
• RQ2 현재 및 예정된 실험들이 muon, tau 및 무거운 보손 채널 전반에서 CLFV를 어떻게 제약하는가?
• RQ3 질량 및 혼합이 다양한 모델에서 CLFV 신호를 촉진시키는가(또는 억제하는가)?
• RQ4 Higgs-부문과 SUSY-부문 기여가 CLFV 한계 설정에 어떤 차이를 만드는가?

주요 결과

• MEG 실험은 mu+ -> e+ gamma에 대한 현재 최고 한계를 BR < 4.2 x 10^-13 (90% C.L., 2016)로 설정한다.
• 기존 한계는 mu+ -> e+ e- e+ (BR < 1.0 x 10^-12, 90% C.L., SINDRUM, 1988) 및 mu- Ti -> e- Ti (BR < 6.1 x 10^-13, 90% C.L., SINDRUM II, 1998)도 제약한다.
• 질량을 가지는 중성미자를 가진 SM에서의 CLFV는 충전류에서 루프 레벨에서만 존재하며 매우 억제되며, 관측 가능한 CLFV는 새로운 물리(예: SUSY 또는 확장된 힉스 부문)를 시사한다.
• 두 개의 힉스 이중층 모델(Two-Higgs-Doublet Models)과 SM 밖의 힉스 부문은 트리 수준에서 또는 루프를 통해 CLFV를 매개할 수 있으며, muon 과정 및 LHC 힉스 붕괴에서 대각선이 아닌 힉스 결합에 대한 강력한 제약(|Y^h_{mu e}|, |Y^h_{e mu}|)을 초래한다.
• 본 고찰은 CLFV를 렙톤 flavour universality 연구와 연결하고 muon 채널(mu -> e gamma, mu -> e e e, mu -> e 전환)과 tau 채널을 표적으로 하는 현재 및 향후 실험을 개요한다.