[論文レビュー] Disentangling new physics contributions in lepton flavour violating tau decays

Alejandro Celis, Vincenzo Cirigliano+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、有効場理論を用いて、レプトンフラバー非保存（LFV）タウ崩壊に寄与する異なる新しい物理のオペレーターを区別する方法を調査する。崩壊率と微分的分布の相関、特にτ→μπ⁺π⁻におけるパイオンの不変質量スペクトルを分析することで、励起状態近くのハドロン的形因子が力学を解明するために不可欠であることが示される。主な結果として、CMSが得たヒッグス媒介のLFV崩壊に対する制約（BR(h→τμ) ≤ 1.57%）が、ヒッグス媒介のLFVタウ崩壊を強く制約し、BR(τ→μγ) ≤ 2.3×10⁻⁹およびBR(τ→3μ) ≤ 4.7×10⁻¹²が得られる。

ABSTRACT

The possibility to discriminate between different operators contributing to lepton flavour violating tau decays is discussed within an effective field theory framework. Correlations among decay rates in different channels as well as differential distributions in many-body decays are considered. Recent developments in the determination of the hadronic form factors for $τ ightarrow \ell ππ$ ($\ell = e, μ$) decays are incorporated in the analysis. The above issues are exemplified by considering a Higgs-like boson with lepton flavour violating couplings. Implications of the search for lepton flavour violating Higgs decays performed recently by the CMS collaboration are also discussed.

研究の動機と目的

• レプトンフラバー非保存（LFV）タウ崩壊における異なる新しい物理のオペレーターを区別する方法を特定すること。
• τ→μπ⁺π⁻のような3体崩壊における崩壊率と微分的分布の相関の役割を評価すること。
• 強度フロントエンドとエネルギーフロントエンドの相補性がLFV現象を調べる上での役割を評価すること。
• 最近のCMSによるLFVヒッグス崩壊（h→τμ）の探索結果を、低エネルギーのLFVタウ崩壊の文脈で解釈すること。
• 標準模型に類似した対角的ヒッグス結合を仮定した場合、ヒッグスおよびタウ崩壊モードからのLFV結合への制約を定量化すること。

提案手法

• 次元6のオペレーターを含む有効場理論フレームワークを用い、磁気双極子、4フェルミオン、グルーオン系のオペレーターを扱う。
• 特にρ共鳴子近辺におけるτ→μπ⁺π⁻崩壊のハドロン的形因子に関する最近の進展を組み込む。
• τ→μπ⁺π⁻におけるパイオンの不変質量スペクトルを、背後にある力学を区別するための識別子として分析する。
• 2ループのBarr-Zee寄与（例：τ→μγ、τ→3μ）をモデルに依存しない制約を得るために評価する。
• BR(h→τμ) ≤ 1.57%というCMSの制約を、有効オペレーターへのマッチングを用いて、低エネルギーのLFVタウ崩壊に対する間接的制約に変換する。
• τ→μπ⁺π⁻およびτ→3μにおけるヒッグス媒介と光子媒介の寄与の制約を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、磁気双極子、4フェルミオン、グルーオン系などの異なる新しい物理のオペレーターをLFVタウ崩壊で区別できるか？
• RQ2 τ→μπ⁺π⁻におけるパイオンの不変質量スペクトルは、ヒッグス媒介と光子媒介のLFV力学を区別する上でどのような役割を果たすか？
• RQ3 CMSによるLFVヒッグス崩壊（h→τμ）の探索結果から、低エネルギーのLFVタウ崩壊への制約はどのように伝播するか？
• RQ4 強度フロントエンド（タウ崩壊）とエネルギーフロントエンド（ヒッグス崩壊）の間には、LFVを調べる上でどのような相補性があるか？
• RQ5 標準模型に類似した対角的ヒッグス結合は、LFVヒッグス制約の解釈にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• τ→μπ⁺π⁻におけるパイオンの不変質量スペクトルは、ヒッグス媒介と光子媒介のLFV力学を区別する強力な識別子である。
• ρ共鳴子近辺におけるハドロン的形因子の最近の改善は、新しい物理のオペレーターを正確に区別する上で不可欠である。
• 95%信頼区間におけるBR(h→τμ) ≤ 1.57%というCMSの制約は、強い間接的制約に翻訳され、BR(τ→μγ) ≤ 2.3×10⁻⁹およびBR(τ→3μ) ≤ 4.7×10⁻¹²が得られる。
• ヒッグス媒介のLFVタウ崩壊は、CMSのヒッグス探索によって強く制約されており、新しい物理がヒッグス結合を増幅しない限り、観測されにくい。
• τ→μπ⁺π⁻からの制約はh→τμからのものと相補的であり、後者はヒッグス以外の寄与を特定する手がかりを提供する。
• 2ループのBarr-Zee寄与は、特にτ→μγおよびτ→3μのLFV分岐比の正確な推定に不可欠である。