[논문 리뷰] Lepton Flavour Violating tau and mu decays induced by scalar leptoquark

Rachid Benbrik, M. Chabab외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 경량 스칼라 렙토쿠아크의 한계를 통해 타우 및 뮤온 붕괴에서 렙톤 플레어 불변성(LFV)을 조사하며, $τ\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$ 및 $μl\to\ell'\gamma$ 과정의 분해율을 1-루프 수준에서 계산한다. 스칼라 렙토쿠아크의 양자역학적 쿠폰 상수는 중요한 LFV 비율을 생성할 수 있으며, 특정 매개변수 조합 하에서 현재 실험적 한계에 도달할 수 있으며, $g-2_\mu$, $\mu$-e 변환 및 파이온 붕괴와의 일관성을 보여준다.

ABSTRACT

We show that the scalar leptoquark Yukawa couplings generate a significant lepton flavour violation. We compute the light scalar leptoquark contributions to the branching ratios (Br) of the lepton flavour violating (LFV) decays $\ell o \ell_i \ell_j \bar{\ell}_j$ and $\ell ightarrow \ell^{\prime} γ$ with (i,j = e,$μ$). We discuss the role of the relevant input parameters to these decay rates which are the Yukawa couplings ($h_{a\ell}$) with ($a=u,c,t$), the light scalar mass $M_{S_{1}}$ and the mixing angle $\sin2θ_{LQ}$. We investigate the experimental limits from $(g-2)_μ$, $μ-e$ conversion and $π o e ν_e, μν_μ$ to get constraint on the input parameter space. We predict that the upper limits on the branching ratios of $τ o \ell_i \ell_j \bar{\ell}_j $ can reach the experimental current limits. We also show that it is possible to accommodate both $τ o \ell_i \ell_j \bar{\ell}_j$ and $τ o \ellγ$ branching ratios for certain choices of LQ parameters.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월하여 경량 스칼라 렙토쿠아크가 렙톤 플레어 불변성 붕괴 $τ\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$ 및 $τ\to\ell'\gamma$ 를 어떻게 유도하는지 조사하기 위해.
• 스칼라 렙토쿠아크의 1-루프 기여를 통해 이러한 LFV 과정의 분해율을 계산하기 위해.
• $g-2_\mu$, $\mu$-e 변환 및 $\pi\to e\nu_e, \mu\nu_\mu$ 붕괴로부터의 실험적 한계를 사용하여 렙토쿠아크 매개변수 공간을 제약하기 위해.
• 모델 내에서 $\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$ 및 $\tau\to\ell\gamma$ 분해율을 동시에 설명할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 이 연구는 렙토쿠아크 쿠폰 상수 $h_{a\ell}$ (여기서 $a = u,c,t$) 를 가진 스칼라 렙토쿠아크 모형을 사용하여 양자 루프 수준에서 LFV 를 매개한다.
• 광자 및 Z 보손 펜던트 및 박스 도형을 포함한 파인먼 도형을 사용하여 $\ell\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$ 및 $\ell\to\ell'\gamma$ 붕괴의 진폭을 계산한다.
• 이론적 예측은 루프 운동량 의존성을 포함하는 일련의 특수 함수 $F_1(x)$, $F_2(x)$, $D_0(x,y,z,k)$ 와 1-루프 적분을 사용하여 유도된다.
• $g-2_\mu$, $\mu$-e 변환 및 $\pi\to e\nu_e, \mu\nu_\mu$ 붕괴로부터의 제약 조건을 적용하여 쿠폰 상수 및 렙토쿠아크 질량의 매개변수 공간을 제한한다.
• 혼합 각도 $\sin 2\theta_{LQ}$ 와 스칼라 렙토쿠아크 질량 $M_{S_1}$ 을 주요 입력 매개변수로 삼아 분해율 민감도를 평가하기 위해 모델이 포함된다.
• 이론적 예측은 실험적 상한과 비교되며, 이는 $\text{Br}(\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j) \leq 8\times 10^{-8}$ 및 $\text{Br}(\mu\to e\gamma) < 1.2\times 10^{-11}$ 를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 렙토쿠아크 매개변수 조합 하에서, 스칼라 렙토쿠아크는 현재 실험적 한계 내에서 관측 가능한 $\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$ 붕괴 분해율을 생성할 수 있는가?
• RQ2 레오크워크 쿠폰 상수 $h_{a\ell}$, 렙토쿠아크 질량 $M_{S_1}$, 혼합 각도 $\sin 2\theta_{LQ}$ 에 대한 $\ell\to\ell'\gamma$ 분해율의 민감도는 어떠한가?
• RQ3 다른 제약 조건을 위반하지 않으면서, 모델이 $\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$ 및 $\tau\to\ell\gamma$ LFV 붕괴를 동시에 수용할 수 있는 정도는 어떠한가?
• RQ4 $g-2_\mu$, $\mu$-e 변환 및 $\pi\to e\nu_e, \mu\nu_\mu$ 붕괴로부터의 제약 조건은 스칼라 렙토쿠아크 모형의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 제한하는가?
• RQ5 레오크워크 모형 내에서, 파이온 붕괴 비율 $\Gamma(\pi^+\to e\nu_e)/\Gamma(\pi^+\to \mu\nu_\mu)$ 에 대한 복사 보정 및 간섭 효과의 역할은 어떠한가?

주요 결과

• 일부 렙토쿠아크 매개변수 조합 하에서 $\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$ 붕괴의 분해율은 현재 실험적 상한인 $8\times 10^{-8}$ 에 도달할 수 있다.
• 모델은 특정 쿠폰 상수 구성 조건 하에서 $\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$ 및 $\tau\to\ell\gamma$ 붕괴가 동시에 실험적으로 탐지 가능할 수 있음을 예측한다.
• $\text{Br}(\mu\to e\gamma)$ 의 상한은 $<1.2\times 10^{-11}$ 으로 제약되며, 렙토쿠아크 질량과 쿠폰 상수에 따라 이 제약 조건을 수용할 수 있다.
• $g-2_\mu$ 와 $\mu$-e 변환로부터의 제약 조건은 특히 큰 쿠폰 상수에 대해 허용 가능한 매개변수 공간을 크게 제한한다.
• $R = \Gamma(\pi^+\to e\nu_e)/\Gamma(\pi^+\to \mu\nu_\mu)$ 의 비율은 렙토쿠아크 기여에 민감하며, 允가 가능한 편차는 $2\sigma$ 수준에서 $R_{\text{min}} < -1.06\times 10^{-8}~\text{GeV}^{-2}$ 와 $R_{\text{max}} < 2.45\times 10^{-9}~\text{GeV}^{-2}$ 로 제약된다.
• $\tau\to\mu\gamma$ 와 $\tau\to e\gamma$ 의 모델 예측은 각각 $6.8\times 10^{-8}$ 와 $1.1\times 10^{-7}$ 이하로 제약되며, 적절한 매개변수 조합 하에서 현재의 한계와 일관된다.