[논문 리뷰] Complementarity in lepton-flavour violating muon decay experiments

Andreas Crivellin, Sacha Davidson외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전자기적 대칭성과 QCD 대칭성을 만족하는 차원-5 및 차원-6 연장된 양자장 이론 연산자를 포함한 효과적 장 이론 프레임워크를 사용하여 렙톤-플레이버-위반 μ 붕괴(μ→eγ 및 μ→3e)를 분석한다. 또한 한계 순환 보정 그룹 진화를 고려한다. 이는 MEG II 및 Mu3e 실험 간의 상호보완성을 입증한다. μ→eγ는 전기 dipole 연산자에 민감하지만, μ→3e는 γ 붕괴 탐색으로는 접근할 수 없는 별개의 매개변수 공간 영역을 탐색한다. 만약 dipole 및 4 Fermion 연산자만 존재한다면 Mu3e가 가장 엄격한 제약 조건을 제공할 것으로 기대된다.

ABSTRACT

This note presents an analysis of lepton-flavour-violating muon decays within the framework of a low-energy effective field theory that contains higher-dimensional operators allowed by QED and QCD symmetries. The decay modes $μ o e γ$ and $μ o 3e$ are investigated below the electroweak symmetry-breaking scale, down to energies at which such processes occur, i.e. the muon mass scale. The complete class of dimension-5 and dimension-6 operators is studied systematically at the tree level, and one-loop contributions to the renormalisation group equations are fully taken into account. Current experimental limits are used to extract bounds on the Wilson coefficients of some of the operators and, ultimately, on the effective couplings at any energy level below the electroweak symmetry-breaking scale. Correlations between two couplings relevant to both processes illustrate the complementarity of searches planned for the MEG II and Mu3e experiments.

연구 동기 및 목표

• 전기약력 스케일 이하에서 효과적 장 이론 프레임워크 내에서 렙톤-플레이버-위반 μ 붕괴(μ→eγ 및 μ→3e)를 체계적으로 분석하기 위해.
• 향후 MEG II 및 Mu3e 실험 간의 상호보완성, 즉 LFV 연산자의 다양한 매개변수 공간 영역을 탐색하는 데 기여하기 위해.
• 현재 실험적 제약 조건과 한계 순환 보정 그룹 진화를 사용하여 다양한 에너지 스케일에서 윌슨 계수에 대한 강력한 제약 조건을 도출하기 위해.
• μ→eγ로는 탐색할 수 없는, 특히 dipole 및 4 Fermion 연산자가 혼합된 경우에 해당하는 μ→3e가 접근 가능한 매개변수 공간 영역을 식별하기 위해.

제안 방법

• QED 및 QCD 대칭성을 만족하는 모든 차원-5 및 차원-6 연산자를 포함한 저에너지 효과적 라그랑지안을 구성하기 위해.
• 모든 관련 고차원 연산자를 포함한 μ→eγ 및 μ→3e 붕괴 진폭의 수준에서 분석을 수행하기 위해.
• 윌슨 계수의 한계 순환 보정 그룹 방정식(RGEs)을 계산하여 연산자 간 혼합을 고려하기 위해.
• 현재 실험적 제약 조건(Br(μ→eγ) ≤ 4.2×10⁻¹³ 및 Br(μ→3e) ≤ 1.0×10⁻¹²)을 사용하여 μ 질량 스케일에서 윌슨 계수를 제약하기 위해.
• RGE를 사용하여 전기약력 대칭성 깨짐 스케일에서부터 μ 질량 스케일까지 윌슨 계수를 진화시키기 위해.
• dipole 및 4 Fermion 연산자 간의 상관관계를 분석하여 MEG II 및 Mu3e 실험 간의 상호보완성을 설명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차원-5 및 차원-6 연산자의 윌슨 계수에 대한 보정 그룹 진화가 LFV 붕괴 분해율의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 MEG II 및 Mu3e 실험 간의 상호보완성은 LFV 매개변수 공간의 어떤 영역을 탐색하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 효과적 이론에서 dipole 및 4 Fermion 연산자의 특정 조합에 대해 μ→eγ 또는 μ→3e 붕괴 모드 중 어느 것이 더 민감한가?
• RQ4 조금 더 높은 감도를 확보한 경우에도 μ→3e 채널이 μ→eγ 실험으로는 접근할 수 없는 매개변수 공간 영역을 탐색할 수 있는가?
• RQ5 현재 실험적 제약 조건과 RGE 진화를 기반으로 전기약력 스케일에서 윌슨 계수에 대한 가장 강력한 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• μ→3e 붕괴 모드는 dipole 및 4 Fermion 연산자가 모두 존재할 경우, μ→eγ 실험으로는 접근할 수 없는 매개변수 공간 영역을 탐색한다.
• MEG II 실험은 Br(μ→eγ)에 대해 4×10⁻¹⁴의 감도에 도달할 것으로 예상되며, 현재의 제약 조건보다 10배 향상된 감도를 확보할 것이다.
• Mu3e 실험은 Br(μ→3e)에 대해 현재 제약 조건보다 4개의 자리수 향상된 감도를 확보할 것으로 예측되며, 이는 4 Fermion 연산자에 대한 가장 민감한 탐색 수단이 될 것이다.
• 기타 혼합 연산자가 존재하지 않을 경우, Mu3e 실험의 최종 단계는 dipole 및 4 Fermion 연산자의 조합된 매개변수 공간에 대해 가장 엄격한 제약 조건을 제공할 것이다.
• 한계 순환 RGE 진화는 윌슨 계수의 진동에 상당한 영향을 미치며, 특히 EWSB 스케일에서 C₆^{T_bb}와 같은 연산자가 생성될 경우, 저에너지 관측량의 해석에 영향을 미친다.
• MEG II 및 Mu3e 간의 상호보완성은 RGE 진화 동안에도 견고하며, dipole 및 4 Fermion 결합 간의 상관관계의 정성적 구조가 에너지 스케일 전반에 걸쳐 유지된다.