[논문 리뷰] Charged Lepton Flavour Violation in Heavy Particle DEcays

Wolfgang Altmannshofer, C. Caillol외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 초월한 뉴 피직스의 맥락에서 무거운 표준모형 입자—Z 보손, 힉스 보손, 토프 쿼크—의 붕괴에서 전하를 띤 렙톤 편미분(Charged Lepton Flavor Violation, CLFV)을 검토한다. 표준모형 효과론적 필드 이론(SMEFT) 프레임워크를 사용하여 현재의 LHC 한계를 평가하고 향후 HL-LHC, CEPC, FCC-ee와 같은 가속기의 감도를 예측하며, 향후 실험들이 Z 붕괴의 경우 $10^{-9}$ 수준, 힉스 붕괴의 경우 $10^{-5}$ 수준의 CLFV 분해율을 탐지할 수 있음을 보여주며, 표준모형을 초월한 물리학에 대한 강력한 검증 수단을 제공한다.

ABSTRACT

Charged lepton flavor violation is an unambiguous signature for New Physics. Here we present a summary of the theoretical and experimental status of the search for charged lepton flavor violation in heavy particle decays, in particular in the decays of the Z and Higgs bosons, and of the top quark. Decays of beyond-Standard-Model particles such as a Z' or an additional scalar particle are also discussed. Finally the prospects for such searches at proposed future electron-positron colliders are reviewed.

연구 동기 및 목표

• Z, 힉스, 토프 쿼크와 같은 무거운 입자 붕괴에서의 전하를 띤 렙톤 편미분(CLFV)의 이론적 및 실험적 현황을 평가하는 것.
• 특히 LHC와 제안된 향후 e+e− 가속기들을 통해 CLFV 과정이 뉴 피직스를 탐지하는 데 얼마나 민감한지 평가하는 것.
• CEPC와 FCC-ee와 같은 향후 가속기들이 Z 및 힉스 붕괴에서의 CLFV를 탐지할 수 있는 감도를 효과론적 필드 이론 모델의 맥락에서 정량화하는 것.
• CLFV 신호가 뮤온 자기모멘트의 $g-2$ 이상현상 및 기타 편미분 물리학 이상현상에 대한 가능한 설명과 어떻게 연결될 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 뉴 피직스 기여를 기술하기 위해 표준모형 효과론적 필드 이론(SMEFT) 프레임워크를 사용하여 디멘션-6 연산자, 예를 들어 도플레 및 힉스 전류 연산자를 통해 CLFV 과정을 모델링한다.
• LEP 및 LHC(ATLAS/CMS) 데이터를 사용하여 Z → ℓℓ′ 붕괴의 분해율 한계를 분석하며, ATLAS의 최신 결과로 $\mathcal{B}(Z\to\mu e) < 2.62 \times 10^{-7}$로 개선된 한계를 확보한다.
• 히iggs 붕괴의 경우, eμ, eτ, μτ 최종 상태의 복합 질량를 재구성하고, 운동량 조건을 적용하며, 배경를 억제하기 위해 힉스 질량와 일관성을 확보한다.
• 시뮬레이션된 루미노시티와 검출기 성능을 사용하여 향후 e+e− 가속기(CEPC, FCC-ee, ILC)의 감도를 예측하며, 신호 효율과 배경 제거 능력을 추정한다.
• 특히 Z → μe 모드에서 뮤온이 전자로 잘못 식별되는 것이 주요 시스템적 오차이므로, 검출기 해상도와 입자 식별 성능이 CLFV 감도에 미치는 영향을 평가한다.
• t → uμe, t → cμe와 같은 토프 쿼크 붕괴와 Z′ → eμ, eτ, μτ 등의 공진 상태 탐색 결과를 비교하여 뉴 피직스 모델을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z → ℓℓ′ 붕괴에 대한 현재의 실험적 한계는 무엇이며, 이는 뉴 피직스 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ2 CEPC와 FCC-ee와 같은 향후 e+e− 가속기는 LHC에 비해 Z 및 힉스 붕괴에서의 CLFV 감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 토프 쿼크 붕괴에서의 CLFV는 뉴 피직스를 얼마나 잘 탐지할 수 있으며, HL-LHC에서의 예상 감도는 어떠한가?
• RQ4 Z 및 힉스 붕괴에서의 CLFV는 뮤온 자기모멘트의 $g-2$ 이상현상에 대해 타당한 설명이 될 수 있는가?
• RQ5 검출기 성능과 재구성 효율은 향후 가속기에서 Z 및 힉스 붕괴의 CLFV 감도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ATLAS 협동작업은 Z → μe 붕괴에 대한 한계를 $\mathcal{B}(Z\to\mu e) < 2.62 \times 10^{-7}$로 향상시켜 이전 LEP 한계보다 약 7배 우수하게 하였다.
• 현재 가장 엄격한 힉스 보손 붕괴 한계는 CMS에서의 $\mathcal{B}(H\to\mu\tau) < 0.15\%$ 및 $\mathcal{B}(H\to e\tau) < 0.22\%$, ATLAS에서의 $\mathcal{B}(H\to e\mu) < 6.1 \times 10^{-5}$이다.
• HL-LHC는 Z → μe 붕괴에 대해 감도를 5배 향상시켜 약 $\sim 10^{-7}$ 수준에 도달할 것으로 예상되며, Z → τe/μτ의 경우 약 $\sim 10^{-6}$ 수준이 될 것이다.
• 향후 e+e− 가속기인 FCC-ee는 Z → μe의 감도를 약 $\sim 10^{-9}$ 수준, H → eμ의 경우 약 $\sim 10^{-5}$ 수준까지 도달할 수 있으며, 이는 검출기 성능에 따라 달라진다.
• H → τℓ 모드의 경우, τ 렙톤의 분해율과 재구성 과제로 인해 신호 효율이 약 5% 수준에 머물러 배경이 더 많고 eμ 모드보다 감도가 낮아진다.
• CEPC와 FCC-ee에서 H → eμ의 예상 감도는 $\mathcal{B} < 1.2 \times 10^{-5}$이며, H → eτ 및 H → μτ의 경우 $\mathcal{B} < 1.5 \times 10^{-4}$이다.