[논문 리뷰] Snowmass 2021 White Paper: Charged lepton flavor violation in the tau sector

S. Banerjee, Vincenzo Cirigliano외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 114인용 수 9

한 줄 요약

이 Snowmass 2021 흰색 보고서는 베틀 II, LHC, EIC, FCC-ee와 같은 향후 실험들을 통해 타우 렙톤 부문에서의 전하 렙톤 편미분 위반(CLFV)을 통한 새로운 물리의 발견 잠재력을 평가한다. 이 보고서는 향후 베틀 II 데이터가 현재 한계에 비해 감도를 최대 3배 향상시킬 수 있음을 보여주며, $ C_{\text{γ}} $ 윌슨 계수에 대해 약 1.1 PeV 수준의 효과적인 새로운 물리 스케일에 대한 예측 경계를 도출한다.

ABSTRACT

Charged lepton flavor violation has long been recognized as unambiguous signature of New Physics. Here we describe the physics capabilities and discovery potential of New Physics models with charged lepton flavor violation in the tau sector as its experimental signature. Current experimental status from the B-Factory experiments BaBar, Belle and Belle II, and future prospects at Super Tau Charm Factory, LHC, EIC and FCC-ee experiments to discover New Physics via charged lepton flavor violation in the tau sector are discussed in detail. Submitted to the Proceedings of the US Community Study on the Future of Particle Physics (Snowmass 2021)

연구 동기 및 목표

• 타우 렙톤 부문에서의 전하 렙톤 편미분 위반(CLFV)을 통해 새로운 물리의 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• 베틀 II, LHC, EIC, FCC-ee와 같은 현재 및 향후 실험들이 타우 렙톤을 포함한 CLFV 과정에 대해 얼마나 민감한지를 평가하기 위해.
• 향후 데이터가 렙톤 편미분 위반를 포함한 효과적 장 이론 연산자와 새로운 물리 스케일을 어떻게 제약할 수 있는지 정량화하기 위해.
• 윌슨 계수 간의 상관관계와 새로운 물리 모델 제약에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 다이아몬드 수준의 새로운 물리 스케일에서 새로운 물리 모델을 탐색하기 위해 가장 민감한 채널(예: $\tau \to \mu\gamma$)을 식별하기 위해.

제안 방법

• 차원 6 연산자를 사용한 효과적 장 이론(SMEFT)을 적용하여 CLFV 과정을 모델링하고, $ C_{\gamma} $ 및 $ C_{\text{Z}} $ 윌슨 계수에 중점을 둔다.
• $ \tau \to \mu\gamma $ 및 $ \tau \to 3\mu $ 붕괴에서의 실험적 경계를 적용하여 새로운 물리 스케일 $ \Lambda $ 를 제약한다.
• 윌슨 계수 간의 상관관계를 고려하기 위해 개별적 및 마진화된 통계 분석을 수행한다.
• 예상되는 베틀 II 데이터(50 ab⁻¹), HL-LHC(300 fb⁻¹), EIC/FCC-ee 데이터를 사용해 향후 감도를 예측한다.
• 붕괴 폭을 $ \Gamma(\tau \to \mu\gamma) \propto m_\tau^3 C^2 / \Lambda^4 $ 를 통해 계산하여 실험적 한계와 새로운 물리 스케일을 연결한다.
• 결과를 렙톤 큐아크 모델에 적용하여, $ \tau \to \mu\gamma $ 가 루프 수준 기여가 있어도 양성자 결합 상수를 제약할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다음 10년간 베틀 II가 $ \tau \to \mu\gamma $ 와 기타 CLFV 모드에 대해 예상되는 감도는 어떠한가?
• RQ2 윌슨 계수 간의 상관관계가 효과적 장 이론에서 새로운 물리 스케일에 대한 경계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 LHC, EIC, FCC-ee 중 어떤 향후 실험들이 타우 부문의 CLFV를 가장 보완적으로 탐색할 수 있는가?
• RQ4 $ \tau \to \mu\gamma $ 가 루프 기여가 있어도 렙톤 큐아크 모델을 얼마나 잘 제약할 수 있는가?
• RQ5 현재 한계에 비해 $ \Lambda $-스케일 경계에 대한 새로운 물리 감도는 어느 정도 향상될 것으로 기대되는가?

주요 결과

• 베틀 II는 현재 베틀 한계에 비해 $ \tau \to \mu\gamma $ 에 대한 감도를 약 3배 향상시킬 것으로 예상되며, $ C_{\gamma} \approx 1 $ 일 때 $ \Lambda \gtrsim 1100\,\text{TeV} $ 수준의 예측 경계에 도달할 것으로 보인다.
• 베틀 II 데이터를 사용한 결과, 90% 신뢰수준에서 윌슨 계수 $ |C_{\gamma}|/G_F\Lambda^2 \lesssim 6.6 \times 10^{-8} $ 로 제약되며, 현재 베틀 데이터의 $ 1.7 \times 10^{-7} $ 와 비교해 향상된 수준이다.
• 마진화된 분석에서 윌슨 계수 간의 상관관계를 포함함으로써 경계가 완화되어 새로운 물리 모델에 대해 더 현실적인 제약을 제공한다.
• $ \tau \to \mu\gamma $ 붕괴 모드는 새로운 물리에 매우 민감하며, 기여가 루프로 억제되더라도 효과적 스케일 $ \Lambda $ 에 대해 약 1.1 PeV 수준의 예측 도달 범위를 가진다.
• CLFV의 $ \tau \to \mu\gamma $ 채널은 특히 $ \tau \to 3\mu $ 와 같은 다른 모드와 조합했을 때 렙톤 큐아크 양성자 결합 상수에 강력한 제약을 가한다.
• 향후 EIC 및 FCC-ee 실험들은 보완적인 에너지 스케일을 탐색하여, 렙톤 편미분 위반의 기여 메커니즘을 규명하는 데 다중 탐사 전략을 가능하게 한다.