[논문 리뷰] Supersymmetric Lepton Flavour Violation at the LHC and LC

Frank F. Deppisch, J. Kalinowski외 3명|ArXiv.org|2004. 01. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 16인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 향후 충돌기에서 초대칭 렙톤 flavor 위반(SLFV)을 조사하며, 향후 $e^{+}e^{-}$ 선형 충돌기(LC)에서 스넬레프터 쌍 생성 및 붕괴가 $\tau\to\mu\gamma$와 같은 희귀한 방사 붕괴와의 상관관계를 통해 SLFV의 기원을 탐색할 수 있음을 보여준다. 주요 결과로는 LHC에서 $Br(\tau\to\mu\gamma) \approx 10^{-8}$를 관측할 경우, LC에서 $e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$의 측정 가능 단면적(0.05–10 fb)이 나타나며, 저에너지 실험과의 강력한 보완성을 보인다.

ABSTRACT

In supersymmetric extensions of the Standard Model, the Yukawa and/or mass terms of the heavy neutrinos can generate lepton flavour violating slepton mass terms. These new supersymmetric sources of lepton flavour violation may both enhance the rates of charged lepton flavour violating processes, l_a -> l_b y, and generate distinct final states, like l_b l_a + jets + missing E_T, at future colliders. First, we discuss the sensitivity of future e^+e^- colliders to the SLFV independently of the lepton flavour violating mechanism. Second, we study lepton flavour violating slepton pair production and decay at a future e^+e^- linear collider in the context of the seesaw mechanism in mSUGRA post-LEP benchmark scenarios. We investigate the correlations of these signals with the corresponding lepton flavour violating rare decays l_a -> l_b y, and show that these correlations are particularly suited for probing the origin of lepton flavour violation.

연구 동기 및 목표

• 초기 메커니즘에 관계없이 향후 $e^{+}e^{-}$ 충돌기가 초대칭 렙톤 flavor 위반(SLFV)에 대해 얼마나 민감한지를 평가하기 위해.
• mSUGRA 벤치마크 시나리오 내에서 seesaw 메커니즘의 맥락에서 SLFV를 연구하며, 스넬레프터 쌍 생성 및 붕괴에 집중하기 위해.
• LC에서의 SLFV 신호와 $l_{\alpha}\to l_{\beta}\gamma$와 같은 희귀한 방사 붕괴 간의 상관관계를 조사하여 렙톤 flavor 위반의 기원을 탐색하기 위해.
• 특히 $\mu$-$\tau$ 영역에서 LHC와 LC의 SLFV 탐색에 대한 상호보완성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 스넬레프터 혼합 행렬 $W_{i\alpha}$를 사용하여 스넬레프터 쌍 생성 $e^{+}e^{-}\to\tilde{l}_{j}^{+}\tilde{l}_{i}^{-}\to l_{\alpha}^{+}l_{\beta}^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$에 대한 $e^{+}e^{-}$ 충돌기 신호를 시뮬레이션한다.
• renormalization-group 주행에 의해 무거운 오른쪽 수중성자 효과로 인해 seesaw 메커니즘이 스넬레프터 질량에서 렙톤 flavor 위반을 생성하도록 적용한다.
• 순수한 $\tilde{\nu}_{\mu}$-$\tilde{\nu}_{\tau}$ 혼합을 가진 단순 모델을 사용하며, $\tilde{\theta}_{23}$ 및 $\Delta\tilde{m}_{23}$을 자유 매개변수로 간주한다.
• Monte Carlo 시뮬레이션을 수행하여 $\sqrt{s} = 800$ GeV 및 $\tilde{\chi}_{1}^{0}$가 가장 가벼운 중성보인 경우 $e^{+}e^{-}$ 과정의 단면적을 추정한다.
• $\mu\to e\gamma$ 및 $\tau\to\mu\gamma$에 대한 실험적 제약 조건과 $e^{+}e^{-}$ 단면적 예측을 비교하여 모델 매개변수를 제약한다.
• $\tau\to\mu\gamma$ 붕괴 분율과 $e^{+}e^{-}$ 스넬레프터 쌍 생성 빈도 간의 상관관계를 분석하여 SLFV의 기원을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 $e^{+}e^{-}$ 충돌기는 렙톤 flavor 위반을 유도하는 기본 메커니즘에 관계없이 SLFV를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 seesaw 유도 SLFV를 포함하는 mSUGRA 시나리오에서 $e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$의 기대 단면적은 얼마인가?
• RQ3 $\tau\to\mu\gamma$ 붕괴 분율과 $e^{+}e^{-}$ 스넬레프터 쌍 생성 빈도 간의 상관관계가 SLFV의 기원을 규명하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 최근 PSI 실험에서 $\mu\to e\gamma$의 관측이 $Br \lesssim 10^{-13}$로 이루어졌을 경우, 선형 충돌기에서 $e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$의 관측 가능성은 어떻게 제약을 받는가?
• RQ5 중성자 영역의 불확실성이 $\tau\to\mu\gamma$와 $e^{+}e^{-}$ 스넬레프터 생성 신호 간의 상관관계에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• LHC에서 $Br(\tau\to\mu\gamma) = 10^{-8}$를 관측할 경우, 향후 선형 충돌기에서 $e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$의 단면적이 0.05–10 fb 범위로 측정 가능하다.
• 그림 4에서 보듯이, 중성자 영역의 불확실성에도 불구하고 $\tau\to\mu\gamma$와 $e^{+}e^{-}$ 스넬레프터 쌍 생성 간의 상관관계는 강건하다.
• $Br(\tau\to\mu\gamma) = 10^{-8}$의 측정은 $\sin 2\tilde{\theta}_{23} \geq 0.4$ 및 $\Delta\tilde{m}_{23} \approx 0.3-1$ GeV를 암시한다.
• 신규 PSI 실험에서 $\mu\to e\gamma$가 관측되지 않았고 $Br \lesssim 10^{-13}$일 경우, 모델 B에서 $e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$의 관측 가능성은 배제된다.
• $e^{+}e^{-}\to\mu^{+}e^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$의 단면적이 1 fb일 경우 현재 제약 조건과 호환되지만, $\mu\to e\gamma$의 비관측은 이러한 신호를 0.1 fb 이하로 제약한다.
• $\tau\to\mu\gamma$와 $e^{+}e^{-}$ 스넬레프터 생성 간의 상관관계는 mSUGRA 매개변수에 민감하게 반응하므로, SLFV의 기원을 탐색하는 데 강력한 도구가 된다.