[논문 리뷰] Lepton universality and lepton flavor conservation tests with dineutrino modes

Rigo Bause, Hector Gisbert외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 SU(2)L 대칭성을 활용하여 뉴트리노 및 카이온 쿼크의 결합을 연결함으로써, 희귀 쿼크의 형질 변화 중성미자 전이에서 이뉴트리노 붕괴 모드를 이용한 렙톤 유니버설리티와 렙톤 프레어벌로 서너의 모델 독립적 테스트를 제안한다. 이는 빛나는 에너지 측정을 통해 뉴트리노의 구조를 탐색할 수 있음을 보여주며, Belle II, BES III 및 향후 전자-양전자 또는 뮤온 충돌기에서의 주요 감도를 제공한다.

ABSTRACT

$SU(2)_L$-invariance links charged dilepton and dineutrino couplings. Phenomenological implications are worked out for flavor changing neutral currents involving strange, charm, beauty and top quark transitions in a model-independent way. We put forward novel tests of lepton universality and lepton flavor conservation in $|Δc|= |Δu|=1$ and $|Δb|= |Δq|=1$, $q=d,s$, transitions suitable for the experiments Belle II and BES III. Single top production plus dileptons uniquely probes semileptonic four-fermion $|Δt|= |Δq'|=1$, $q'=u,c$, couplings and further study at the LHC is encouraged. Tests with single top production associated with dileptons and missing energy are suitable for study at future $e^+ e^-$ or muon colliders.

연구 동기 및 목표

• 희귀 쿼크 붕괴에서 빛나는 에너지(이뉴트리노) 관측량을 이용한 렙톤 유니버설리티와 렙톤 프레어벌로 서너의 모델 독립적 방법을 수립하기 위해.
• 좌측 렙톤 및 뉴트리노 결합 간의 $SU(2)_L$-불변 관계를 활용하여, 렙톤 쌍의 붕괴와 이뉴트리노 모드 간의 앰플리튜드를 연결함으로써, 렙톤 프레어벌로 서너의 간접적 테스트를 가능하게 하기 위해.
• 특히 $|\Delta c|=|\Delta u|=1$ 및 $|\Delta t|=|\Delta q'|=1$ 전이에서, 이뉴트리노 모드를 이용한 쿠르트론, 베타, 탑 쿼크 영역에서의 새로운 물리 신호에 대한 새로운 접근 가능 실험적 탐색을 식별하기 위해.
• Belle II, BES III 및 $e^+e^-$ 충돌기와 같은 향후 실험의 감도를 평가하여, 렙톤 쌍 또는 빛나는 에너지를 포함한 단일 탑 생성에서 이러한 NP 신호를 탐지할 수 있는 가능성을 분석하기 위해.
• 오른쪽 회전 뉴트리노의 이론적 영향을 평가하고, 그 간섭 효과를 억제하기 위한 개선된 분포비율 한계를 식별하기 위해.

제안 방법

• 표준모형 효과적 장 이론(SMEFT)을 사용하여, SM 게이지 대칭성과 로렌츠 불변성을 유지하는 차원 6의 4 Fermion 연산자를 통해 NP를 매개변수화한다.
• 좌측 렙톤과 뉴트리노 결합 간의 $SU(2)_L$-불변 관계를 적용하여, 렙톤 쌍 붕괴 관측량을 이뉴트리노 모드로 매핑할 수 있도록 한다: $O(\nu\bar{\nu}) = \sum_{i,j} O(\ell_i^-\ell_j^+)$.
• 모델 독립적 이뉴트리노 분포비율 한계를 유도하기 위해 모든 렙톤 프레어벌 채널의 합을 취하며, cLFC 및 LU 가정 하에 렙톤 데이터로부터 제약 조건을 설정한다.
• 자기 쿼크의 $|\Delta c|=|\Delta u|=1$ 및 $|\Delta b|=|\Delta q|=1$ 전이(여기서 $q=d,s$)와 $|\Delta t|=|\Delta q'|=1$ 과정을 분석하며, 탑 쿼크의 FCNC 및 렙톤 쌍 또는 빛나는 에너지를 포함한 단일 탑 생성에 집중한다.
• LHC에서 $\mathcal{K}_R^{tc\mu\mu} \lesssim 22$ 및 $\mathcal{K}_R^{tu\mu\mu} \lesssim 2.2$에 대한 감도를 3000 fb$^{-1}$에서 평가하고, 빛나는 에너지 분포의 운동학적 연구를 제안한다.
• 오른쪽 회전 뉴트리노가 4 Fermion 연산자에 미치는 영향을 고려하며, $D^0\to\nu\bar{\nu}$ 및 $B_d^0\to\nu\bar{\nu}$에 대한 개선된 한계가 이들의 영향을 이론적 불확도 내로 억제할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 $SU(2)_L$-불변성이 빛나는 에너지(이뉴트리노) 붕괴에서 렙톤 유니버설리티와 렙톤 프레어벌로 서너를 테스트하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 렙톤 유니버설리티 및 cLFC 가정 하에 $c\to u\,\nu\bar{\nu}$ 및 $t\to b\,\nu\bar{\nu}$ 분포비율에 대한 모델 독립적 한계는 무엇인가?
• RQ3 레프톤 쌍 붕괴 모드에서의 실험적 제약 조건이 희귀 쿠르트론 및 베타 붕괴에서 이뉴트리노 분포비율을 어떻게 제약하는가?
• RQ4 단일 탑 생성에서 렙톤 쌍 또는 빛나는 에너지를 포함한 $|\Delta t|=|\Delta u|=1$ 및 $|\Delta t|=|\Delta c|=1$ 반응에서의 반응성 4 Fermion 결합을 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ5 오른쪽 회전 뉴트리노는 이뉴트리노 붕괴 한계 해석에 얼마나 큰 영향을 미치며, 어떤 개선된 측정치가 그 영향을 억제할 수 있는가?

주요 결과

• $SU(2)_L$-불변 관계를 통해 렙톤 쌍 데이터로부터 $O(\nu\bar{\nu})$에 대한 제약 조건을 유도할 수 있으며, 이는 빛나는 에너지 모드에서 렙톤 유니버설리티와 cLFC의 모델 독립적 테스트를 가능하게 한다.
• $c\to u\,\nu\bar{\nu}$의 경우, LU, cLFC 및 cLFV 기준에서 이뉴트리노 분포비율에 대한 상한을 요약하였으며, 가장 엄격한 제약 조건은 90% 신뢰수준에서 $\mathcal{B}(D^0\to\nu\bar{\nu}) < 9.4 \times 10^{-5}$이다.
• $c\to u\,\nu\bar{\nu}$의 관측은 SM의 GIM 억제로 인해 극히 미미한 진폭을 가지므로, 새로운 물리의 명확한 신호가 될 것이다.
• LHC에서 3000 fb$^{-1}$에서의 감도는 $|\mathcal{K}_R^{tc\mu\mu}| \lesssim 22$ 및 $|\mathcal{K}_R^{tu\mu\mu}| \lesssim 2.2$를 탐지할 수 있으며, 이는 $|\Delta t|=|\Delta q'|=1$ 결합에 대한 강력한 제약 조건을 제공한다.
• Belle II 및 $Z$-팩토리에서 $B\to K\nu\bar{\nu}$ 대비 $B\to K^*\nu\bar{\nu}$ 및 $B\to \pi\nu\bar{\nu}$ 대비 $B\to \rho\nu\bar{\nu}$의 렙톤 유니버설리티 테스트는 실현 가능하다.
• 0.5 ab$^{-1}$에서 $B_s^0\to\nu\bar{\nu}$에 대한 개선된 한계 $\lesssim 1.1 \times 10^{-5}$가 확보된다면, $|\Delta b|=|\Delta s|=1$ 붕괴에서 오른쪽 회전 뉴트리노의 영향을 1% 이내로 제어할 수 있다.