[논문 리뷰] Disentangling new physics contributions in lepton flavour violating tau decays

Alejandro Celis, Vincenzo Cirigliano외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 효율적 장 이론을 통해 렙톤 편미분 위반(LFV) 타우 붕괴에서 다양한 새로운 물리학 연산자들을 어떻게 구별할 수 있는지 조사한다. 붕괴율과 미분 분포 간의 상관관계—특히 τ→μπ⁺π⁻에서의 파이 중입자 질량 스펙트럼—을 분석함으로써, 공명 부근의 강입자 형상인자가 동역학을 해소하는 데 핵심적임을 보여준다. 주요 결과로는 CMS의 힉스 매개 LFV 붕괴에 대한 제한(BR(h→τμ) ≤ 1.57%)가 힉스 매개 LFV 타우 붕괴를 강하게 제약하며, 이로 인해 BR(τ→μγ) ≤ 2.3×10⁻⁹ 및 BR(τ→3μ) ≤ 4.7×10⁻¹²를 도출한다.

ABSTRACT

The possibility to discriminate between different operators contributing to lepton flavour violating tau decays is discussed within an effective field theory framework. Correlations among decay rates in different channels as well as differential distributions in many-body decays are considered. Recent developments in the determination of the hadronic form factors for $τ ightarrow \ell ππ$ ($\ell = e, μ$) decays are incorporated in the analysis. The above issues are exemplified by considering a Higgs-like boson with lepton flavour violating couplings. Implications of the search for lepton flavour violating Higgs decays performed recently by the CMS collaboration are also discussed.

연구 동기 및 목표

• 레프톤 편미분 위반(LFV) 타우 붕괴에서 다양한 새로운 물리학 연산자들을 어떻게 구별할 수 있는지 규명하는 것.
• τ→μπ⁺π⁻과 같은 3체 붕괴에서 붕괴율과 미분 분포 간의 상관관계가 수행하는 역할 평가.
• 강도 선과 에너지 선이 LFV 현상을 탐색하는 데 어떻게 상호보완적인지 평가.
• 최근 CMS에서 수행한 LFV 힉스 붕괴(h→τμ) 탐색 결과를 저에너지 LFV 타우 붕괴의 맥락에서 해석하는 것.
• 표준모형 유사 대각 힉스 결합을 가정할 때, 힉스와 타우 붕괴 모드로부터의 LFV 결합에 대한 제약 조건을 정량화하는 것.

제안 방법

• 디미전션-6 연산자를 포함한 효율적 장 이론 프레임워크를 사용하며, 이는 이중극, 4 fermion, 그리고 글루온 연산자를 포함한다.
• 특히 ρ 공명 부근에서 τ→μπ⁺π⁻ 붕괴의 최근 강입자 형상인자 발전을 통합한다.
• 기본적인 동역학을 구별하는 데 사용되는 τ→μπ⁺π⁻에서의 파이 중입자 질량 스펙트럼을 분석한다.
• 모델 독립적 제약 조건을 얻기 위해 두 번째 순서의 Barr-Zee 기여(예: τ→μγ, τ→3μ)를 평가한다.
• CMS에서 제시한 BR(h→τμ) ≤ 1.57%의 제약 조건을 효율적 연산자에 대한 매칭을 통해 저에너지 LFV 타우 붕괴에 간접 제약 조건으로 변환한다.
• τ→μπ⁺π⁻와 τ→3μ에서의 힉스 매개 및 광자 매개 기여 간의 제약 조건을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 다양한 새로운 물리학 연산자(예: 이중극, 4 fermion, 글루온)를 LFV 타우 붕괴에서 분리할 수 있는가?
• RQ2 τ→μπ⁺π⁻에서의 파이 중입자 질량 스펙트럼은 힉스 매개와 광자 매개 LFV 동역학을 어떻게 구별하는 데 기여하는가?
• RQ3 CMS에서 수행한 LFV 힉스 붕괴(h→τμ) 탐색 결과에서 유도된 제약 조건이 저에너지 LFV 타우 붕괴에 어떻게 적용되는가?
• RQ4 강도 선(τ 붕괴)과 에너지 선(히iggs 붕괴) 간의 상호보완성은 LFV를 탐색하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ5 표준모형 유사 대각 힉스 결합은 LFV 힉스 제약 조건의 해석에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• τ→μπ⁺π⁻에서의 파이 중입자 질량 스펙트럼은 힉스 매개와 광자 매개 LFV 동역학을 구별하는 데 강력한 지표이다.
• ρ 공명 부근에서의 최근 강입자 형상인자 향상은 새로운 물리학 연산자의 정확한 구별에 필수적이다.
• CMS에서 제시한 BR(h→τμ) ≤ 1.57%의 제약 조건은 강력한 간접 제약 조건으로 이어지며, 이는 BR(τ→μγ) ≤ 2.3×10⁻⁹ 및 BR(τ→3μ) ≤ 4.7×10⁻¹²를 초래한다.
• 히iggs 매개 LFV 타우 붕괴는 CMS 힉스 탐색으로 인해 강하게 제약받으며, 새로운 물리학이 힉스 결합을 증폭시키지 않는 한 관측되기 어려울 것이다.
• τ→μπ⁺π⁻에서의 제약 조건은 h→τμ에서의 제약 조건과 상호보완적이며, 후자는 비-히iggs 기여를 파악하는 데 기여한다.
• 두 번째 순서의 Barr-Zee 기여는 특히 τ→μγ 및 τ→3μ의 LFV 분해율을 정확하게 추정하는 데 필수적이다.