[논문 리뷰] Gamma(K -> e nu)/Gamma(K -> mu nu) in the Minimal Supersymmetric Standard Model

Jennifer Girrbach, Ulrich Nierste|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 28인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 NA62 실험에서 탐색하는 매개변수 영역에서, 최소 초대칭 표준모형(MSSM) 내에서 바나-스타우 순환도가 지배적임을 보이며, 큰 혼합 각도 θτ에 대해 질량 삽입 근사가 무효화됨을 밝혀내고, 라이트리베이스터의 질량 m~τl과 혼합 각도 θτ를 변수로 하는 새로운 분석 공식을 유도함으로써 향후 NA62 데이터와의 직접 비교를 가능하게 한다. 이는 K →eν 및 K →μν 붕괴에서 렙톤-플레버 유니버설리티 위반에 대한 연구를 다룬다. 특히, RK = Γ(K→eν)/Γ(K→μν) 비율을 중심으로 분석한다.

ABSTRACT

The quantity R_K = Gamma(K -> e nu)/Gamma(K -> mu nu) studied by the experiment NA62 at CERN is known to probe lepton-flavour violating (LFV) parameters of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM). A non-zero parameter delta_{RR}^{13} can open the decay channel K -> e nu_tau and enhance R_K over its Standard-Model value. In the region of the parameter space probed by NA62 the contribution from a bino-stau loop diagram is numerically dominant and the mixing between left-handed and right-handed staus is important. For large values of the stau mixing angle theta_tau the commonly adopted mass insertion approximation is not accurate. We therefore express the supersymmetric contribution to R_K in terms of the mass of the lightest stau eigenstate, the mixing angle theta_tau, and other relevant MSSM parameter such as tan(beta) and the charged-Higgs boson mass M_H and plot the parameter regions constrained by R_K. We further study to which extent R_K can be depleted through MSSM contributions interfering destructively with the SM amplitude for K -> e nu_e. This lepton-flavour conserving (LFC) mechanism involves the parameter combination |delta_{LL}^{13} delta_{RR}^{13}|, which can be constrained with a naturalness consideration for the electron mass or with the measurement of the anomalous magnetic moment of the electron. The LFC effect on R_K is marginal, an NA62 measurement of R_K significantly below the Standard Model expectation would indicate physics beyond the MSSM.

연구 동기 및 목표

• MSSM 내에서 K →eν 및 K →μν 붕괴에서 렙톤-플레버 유니버설리티 위반을 조사한다.
• CERN의 NA62 실험에서 탐색하는 매개변수 영역에서 RK에 대한 주요 초대칭 기여를 규명한다.
• 큰 스타우 혼합 각도(θτ)에서 질량 삽입 근사가 실패함을 보이며, 스타우 질량 행렬의 정확한 대각화가 필요함을 입증한다.
• RK에 대한 초대칭 기여를 물리적 매개변수인 m~τl, θτ, tanβ, MH, M1를 사용하여 표현함으로써 NA62 데이터와 직접 비교할 수 있도록 한다.
• 레프톤-플레버 보존(LFC) 및 렙톤-플레버 위반(LFV) 메커니즘이 SM 값 이하로 RK를 억제하는 데 얼마나 유력한지 평가한다.

제안 방법

• 바나-스타우 및 카이아린-스타우 순환도를 포함한 MSSM 기여의 전체 1-루프 계산을 수행한다.
• 질량 삽입 방법의 근사치를 대체하기 위해 스타우 질량 행렬의 정확한 대각화를 수행하여 물리적 스타우 고유상태를 유도한다.
• LFV 기여 ∆rμ−e를 라이트리베이스터 질량 m~τl, 혼합 각도 θτ, tanβ, 중성미소-보존 질량 MH, 바나 질량 M1, 우측 스핀 전자 질량 m~eR로 표현한다.
• 전자 질량의 자연스러움과 전자의 비정상 자기모멘트 제약 조건을 적용하여 LFC 매개변수 조합 |δ13LLδ13RR|의 상한을 구한다.
• 유도된 매개변수 영역을 기존의 B →τν 붕괴 제약과 비교하고, NA62의 초과표준모형을 넘는 새로운 물리 현상 탐지 민감도를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NA62가 탐색하는 매개변수 영역에서 RK에 대한 주요 초대칭 기여는 무엇이며, 스타우 혼합은 이를 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 큰 스타우 혼합 각도(θτ)에서 질량 삽입 근사가 무효화되는가? 정확한 분석적 처리 방법은 무엇인가?
• RQ3 NA62 실험 데이터와 직접 비교하기 위해, LFV 기여를 m~τl 및 θτ와 같은 물리적 MSSM 매개변수로 어떻게 표현할 수 있는가?
• RQ4 레프톤-플레버 보존(LFC) 효과가 RK를 SM 값 이하로 억제하는 데 얼마나 기여할 수 있으며, 자연스러움과 전자 g-2 제약 조건과 일치하는가?
• RQ5 RK가 SM 값에서 뚜렷한 편차를 보일 경우, 이는 초과표준모형을 넘는 새로운 물리 현상에 대한 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• NA62 탐색 영역에서 LFV 기여에 대해 바나-스타우 순환도가 지배적이며, 특히 큰 µ 및 θτ 값에서 두드러진다.
• tanβ = 50, µ = 800 GeV, δ13RR = 0.5, MH = 500 GeV, m~τl = 120 GeV, M1 = 100 GeV, m~eR = 200 GeV 조건에서, 최대 LFV 기여는 θτ = 26°일 때 ∆rμ−eLFV = 0.006을 제공한다.
• LFC 기여 |∆rμ−eLFC|는 자연스러움과 전자 g-2 제약 조건으로 인해 ≲0.005로 제한되며, 이는 이전에 가정된 보다 큰 억제 효과보다 도전적인 상황이다.
• |δ13LLδ13RR|를 포함한 LFC 메커니즘은 작아야 하며, RK의 큰 편차를 설명할 수 없다.
• m~τl 및 θτ를 변수로 하는 ∆rμ−eLFV의 유도된 공식은 향후 NA62 측정과의 직접 비교를 가능하게 한다.
• RK가 SM 값 이하로 뚜렷하게 측정될 경우(예: ∆rμ−e ≲ -0.005), 이는 초과표준모형을 넘는 새로운 물리 현상의 존재를 시사한다.