[논문 리뷰] Feasibility at the LHC, FCC-he and CLIC for sensitivity estimates on anomalous $τ$-lepton couplings

A. Gutiérrez-Rodríguez, M. Köksal외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 타우 렙톤의 이례적 자화모멘트와 전기 dipole moment에 대한 감도를 LHC, FCC-he, CLIC 충돌기에서 광자 방출과 함께 타우 쌍 생성을 통해 평가한다. 95% 신뢰수준에서의 모델 독립적 분석을 통해 CLIC가 가장 높은 감도 제약 조건을 제공함을 발견하였으며, 3 TeV 및 3000 fb$^{-1}$에서 $\tilde{a}_{\tau}$에 대해 $[ -0.00128, 0.00105 ]$와 $|\tilde{d}_{\tau}|$에 대해 $6.44 \times 10^{-18}$을 달성하여 LHC와 FCC-he를 능가한다.

ABSTRACT

In this paper, we present detailed studies on the feasibility at $pp$, $e^-p$ and $e^+e^-$ colliders for model-independent sensitivity estimates on the total cross-section and on the anomalous $τ^+τ^-γ$ interaction through the tau pair production channels $pp o pτ\bar τγp$, $e^-p o e^- τ\bar τγp$ and $e^+e^- o e^+ τ\bar τγe^-$ at the $γ^*γ^* o τ^+τ^-γ$ mode. Measurements of the anomalous couplings of the $τ$-lepton $ ilde{a}_τ$ and $ ilde{d}_τ$ provide an excellent opportunity to probing extensions of the Standard Model. We estimate the sensitivity at the $95\%$ Confidence Level, and we consider that the $τ$-lepton decays leptonically or semi-leptonically. We found that of the three considered colliders, the future CLIC at high energy and high luminosity should provide the best sensitivity on the dipole moments of the $τ$-lepton $ ilde a_τ= [-0.00128, 0.00105]$ and $ | ilde{d}_τ({ m ecm})|= 6.4394 imes 10^{-18}$, which show a potential advantage compared to those from LHC and FCC-he.

연구 동기 및 목표

• 미래 충돌기에서 광자 태깅된 타우 쌍 생성을 통해 이례적 $\tau^+\tau^-$ 결합의 탐지 가능성 평가.
• $pp$, $e^-p$, $e^+e^-$ 충돌기의 자화모멘트 ($\tilde{a}_{\tau}$) 및 전기 dipole moment ($\tilde{d}_{\tau}$)에 대한 감도 비교.
• LHC, FCC-he, CLIC에서 $\tilde{a}_{\tau}$ 및 $|\tilde{d}_{\tau}|$에 대한 95% 신뢰수준에서의 모델 독립적 감도 추정 제공.
• 다양한 루미노시티와 질량 중심계 에너지가 이례적 타우 렙톤 결합 탐지 범위에 미치는 영향 평가.

제안 방법

• 모델 독립적 감도 추정을 $\gamma^*\gamma^*$ 질량 중심계 에너지에서 $pp \to p\tau\bar{\tau}\gamma p$, $e^-p \to e^-\tau\bar{\tau}\gamma p$, $e^+e^- \to e^+\tau\bar{\tau}\gamma e^-$ 반응에 대해 수행.
• 타우 렙톤 붕괴를 순수하게 렙톤 또는 반반 렙톤 최종 상태로 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용.
• 이론적 라그랑지안에서 $\tilde{a}_{\tau}$ 및 $\tilde{d}_{\tau}$를 이례적 $\tau^+\tau^-\gamma$ 결합의 자유 매개변수로 고려.
• 통합 루미노시티 10에서 3000 fb$^{-1}$ 범위에서의 기대 통계적 불확실성에 기반해 95% 신뢰수준에서 감도 평가.
• 타우 렙톤 붕괴 제품의 실제 검출기 수용 및 재구성 효율을 가정.
• 이론적 단면적 및 신호 대 배경 비율을 계산하여 이례적 결합에 대한 탐지 범위 결정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC가 13 및 14 TeV 질량 중심계 에너지에서 이례적 $\tau^+\tau^-$ 결합에 대해 어떤 모델 독립적 감도를 보이는가?
• RQ2 FCC-he는 7.07 및 10 TeV에서 LHC와 비교해 $\tilde{a}_{\tau}$ 및 $|\tilde{d}_{\tau}|$를 탐지하는 데 어떤 감도를 보이는가?
• RQ3 CLIC가 1.5 및 3 TeV에서 타우 렙톤 자화모멘트 및 전기 dipole moment에 대해 기대하는 감도는 무엇인가?
• RQ4 고루미노시티 조건에서 CLIC는 $\tilde{a}_{\tau}$ 및 $|\tilde{d}_{\tau}|$에 대해 LHC와 FCC-he를 능가하는 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ5 순수 렙톤 대비 반반 렙톤 붕괴 모드의 차이가 이례적 결합 감도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CLIC에서 $\sqrt{s} = 3$ TeV 및 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 조건에서 $\tilde{a}_{\tau}$에 대한 감도는 95% 신뢰수준에서 $[-0.00174, 0.00150]$에 도달한다.
• 동일한 CLIC 조건에서 순수 렙톤 붕괴에 대해 $|\tilde{d}_{\tau}|$ 감도는 $8.94 \times 10^{-18}$, 반반 렙톤 붕괴에 대해 $6.44 \times 10^{-18}$이다.
• CLIC는 세 충돌기 중에서 가장 높은 감도를 확보하며, 3 TeV 및 3000 fb$^{-1}$에서 $|\tilde{d}_{\tau}|$가 $6.44 \times 10^{-18}$에 도달하여 LHC 및 FCC-he의 한계보다 크게 낮다.
• LHC에서 $\sqrt{s} = 14$ TeV 및 $\mathcal{L} = 200$ fb$^{-1}$ 조건에서 $|\tilde{d}_{\tau}|$ 감도는 $3.69 \times 10^{-17}$이며, CLIC보다 약 10배 낮은 감도를 보인다.
• FCC-he에서 $\sqrt{s} = 10$ TeV 및 $\mathcal{L} = 1000$ fb$^{-1}$ 조건에서 $|\tilde{d}_{\tau}| = 1.72 \times 10^{-17}$를 달성하며, 여전히 CLIC보다 낮은 감도를 보인다.
• 이 연구는 CLIC의 고루미노시티와 청결한 환경이 이례적 타우 렙톤 결합의 정밀 측정에 최적의 조건을 제공함을 확인한다.