[논문 리뷰] Electron Beam Dump Constraints on Light Bosons with Lepton Flavor Violating Couplings

Takeshi Araki, Kento Asai외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 86인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 전자 비드럼 실험, 특히 E137 실험을 통해 경량의 약하게 상호작용하는 보존에 대해 렙톤 풍미 위반 쿠플링을 갖는 새로운 제약 조건을 유도한다. 이는 뮤온 풍미 위반 붕괴로는 제약를 받지 못하는 매개변수 영역이 전자 비드럼 탐색을 통해 배제될 수 있음을 보여주며, 스칼라, 벡터, 디โพ일 타입 상호작용의 경우 특히 중요한 제약 개선을 이룬다. 이는 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상에 대한 제약을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We study constraints on light and feebly interacting bosons with lepton flavor violation from electron beam dump experiments. Scalar, vector, and dipole interactions of the bosons are analyzed, respectively, and excluded regions from the searches for decays into electron-positron pairs are derived. It is found that parameter regions unconstrained by flavor violating decays of muon can be excluded using the results of the E137 experiment. We also discuss the impact of the search for flavor violating decays of the light bosons in electron beam dump experiments.

연구 동기 및 목표

• 전자 비드럼 실험의 능력을 경량의 약하게 상호작용하는 보존에 대해 렙톤 풍미 위반 쿠플링을 탐색하는 데로 확장하는 것.
• 전자-뮤온 풍미 위반을 포함한 스칼라, 벡터, 디โพ일 타입 상호작용에 대한 새로운 배제 한계를 도출하는 것.
• 기존의 뮤온 풍미 위반 붕괴(예: μ→eγ)로부터의 제약과 전자 비드럼 실험의 민감도를 비교하는 것.
• 미래의 비드럼 실험들이 기존에 제약을 받지 못하는 매개변수 공간 영역을 탐색할 잠재력을 평가하는 것.
• 표준모형을 초월한 확장된 렙톤 풍미 위반을 포함하는 모델에서 비드럼 실험 결과를 해석하는 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 스칼라 보존의 요다 타입 상호작용, 벡터 보존의 벡터 쿠플링, 디โพ일 타입 상호작용을 포함한 세 가지 벤치마크 모델을 분석한다.
• 운동학적 및 위상공간 계산을 통해 전자 비드럼에서의 브레머스트랄링 과정을 통해 생성 단면적을 유도한다.
• 신호 사건 수를 e⁺e⁻ 쌍으로 붕괴하는 데 대해 E137 실험의 데이터와 검출기 기하학을 적용하여 계산한다.
• 카렌 함수를 사용하여 φ→ℓℓ̄ 및 ℓe→eφ 과정의 부분 붕괴 폭을 계산한다.
• 기대 신호 사건 수를 E137의 미측정 에너지 또는 이격된 버텍스 사건에 대한 상한과 비교하여 배제 한계를 유도한다.
• 결과를 보존 질량에 따라 결합 상수(y′eμ, g′sc, μ′)에 대한 제약 조건으로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 E137과 같은 전자 비드럼 실험은 뮤온 붕괴로는 제약를 받지 못하는 렙톤 풍미 위반을 갖는 경량 보존의 매개변수 영역을 배제할 수 있는가?
• RQ2 E137의 스칼라, 벡터, 디โพ일 타입 상호작용에 대한 제약 조건은 μ→eγ 및 μ→e+e− 과정으로부터의 기존 제약과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 비드럼 실험은 1GeV 이하 질량 범위의 렙톤 풍미 위반 쿠플링에 대해 어느 정도 민감한가?
• RQ4 비드럼 실험은 어떤 질량 및 결합 영역에서 순수하게 렙톤성 풍미 위반 붕괴의 탐색 능력을 초월하는가?
• RQ5 다양한 상호작용 유형(스칼라, 벡터, 디โพ일)을 가정할 경우 유도된 배제 한계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• E137 전자 비드럼 실험은 기존에 제약를 받지 못하던 렙톤 풍미 위반 쿠플링을 갖는 경량 보존의 매개변수 공간 영역을 배제한다.
• 스칼라 보존의 경우, mφ ≲ 100 MeV 범위에서 y′eμ ≲ 10⁻⁵로 새로운 상한을 설정하며, 뮤온 붕괴 제약보다 개선된 결과를 얻는다.
• 벡터 보존(Z′)의 경우, mZ′ ≲ 100 MeV 범위에서 E137 제약가 μ→eγ 제약보다 더 강력하다.
• 디โพ일 타입 상호작용(A′)의 경우, mA′ ≲ 100 MeV 범위에서 μ′ ≲ 10⁻⁵로 가장 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 특히 경량 보존의 경우, 비드럼 실험 제약 조건은 뮤온 붕괴 제약과 경쟁 가능하거나 그 이상의 성능을 보이며, 특히 1GeV 이하 영역에서 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 본 연구는 전자 비드럼 실험은 표준모형을 초월한 렙톤 풍미 위반 신물리 현상을 탐색하는 강력한 수단임을 입증한다.