[論文レビュー] Snowmass 2021 White Paper: Charged lepton flavor violation in the tau sector

S. Banerjee, Vincenzo Cirigliano+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 114被引用数 9

ひとこと要約

このSnowmass 2021ホワイトペーパーは、Belle II、LHC、EIC、FCC-eeを含む将来の実験を対象に、タウレプトン系における電荷を帯びた軽レプトンのフラバー不変化（CLFV）を通じた新物理の発見可能性を評価している。今後得られるBelle IIのデータにより、現在の制限に比べてCLFVの感度が最大3倍向上すると示されており、$ C_{\text{γ}} $ウィルソン係数に関しては、予想される新物理の効果的スケールの上限が約1.1 PeVに達する見込みである。

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)

研究の動機と目的

• 電荷を帯びた軽レプトンのフラバー不変化（CLFV）を通じた新物理の発見可能性を、タウレプトン系において評価すること。
• Belle II、LHC、EIC、FCC-eeといった現在および将来の実験が、タウレプトンを含むCLFV過程に対してどの程度感度を持つのかを評価すること。
• 将来のデータが、レプトンフラバー不変化を伴う有効場理論のオペレーターおよび新物理スケールをどの程度制限するかを定量化すること。
• ウィルソン係数間の相関関係と、それらが新物理モデルの制限に与える影響を調査すること。
• 多テルビウムスケールの新物理を探索する上で、最も感度の高いチャネル（例：$\tau \to \mu\gamma$）を同定すること。

提案手法

• 次元6のオペレーターに着目した有効場理論（SMEFT）を用いてCLFV過程をモデル化し、$ C_{\gamma} $および$ C_{\text{Z}} $ウィルソン係数に焦点を当てる。
• $ \tau \to \mu\gamma $および$ \tau \to 3\mu $崩壊からの実験的制限を用いて、新物理のスケール$ \Lambda $を制限する。
• ウィルソン係数間の相関を考慮した個別的およびマージナライズド統計的解析を実施する。
• 予想されるBelle IIデータ（50 ab⁻¹）、HL-LHC（300 fb⁻¹）、EIC/FCC-eeデータを用いて、将来の感度を予測する。
• 崩壊幅を$ \Gamma(\tau \to \mu\gamma) \propto m_\tau^3 C^2 / \Lambda^4 $として計算し、実験的制限と新物理スケールを結びつける。
• 結果をレプトクォークモデルに適用し、$ \tau \to \mu\gamma $がループレベルの寄与であっても、ヤコビヤンカップリングを制限できることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Belle IIは、今後10年間で$ \tau \to \mu\gamma $および他のCLFVモードに対してどの程度の感度を達成すると予想されるか？
• RQ2 ウィルソン係数間の相関が、有効場理論における新物理スケールの制限にどのように影響するか？
• RQ3 将来の実験（LHC、EIC、FCC-ee）の中で、タウ系におけるCLFVを最も補完的に探査できるのはどれか？
• RQ4 $ \tau \to \mu\gamma $は、ループレベルの寄与があるにもかかわらず、レプトクォークモデルをどの程度まで制限できるか？
• RQ5 現在の制限に比べて、$ \Lambda $スケールの新物理感度はどの程度向上すると予想されるか？

主な発見

• Belle IIは、現在のBelleの制限に比べて$ \tau \to \mu\gamma $への感度を約3倍向上すると予想されており、$ C_{\gamma} \approx 1 $の場合、$ \Lambda \gtrsim 1100\,\text{TeV} $の予想される制限に達する。
• Belle IIデータを用いた90%信頼水準におけるウィルソン係数の制限は、$ |C_{\gamma}|/G_F\Lambda^2 \lesssim 6.6 \times 10^{-8} $となるが、現在のBelleデータの$ 1.7 \times 10^{-7} $に比べて厳しくなる。
• マージナライズド解析においてウィルソン係数間の相関を組み込むことで、制限が緩和され、新物理モデルに対するより現実的な制限が得られる。
• $ \tau \to \mu\gamma $崩壊モードは新物理に対して非常に感度が高く、ループで抑制された寄与であっても、効果的スケール$ \Lambda $の到達範囲が約1.1 PeVに達する見込みである。
• CLFVの$ \tau \to \mu\gamma $チャンネルは、特に$ \tau \to 3\mu $などの他のモードと組み合わせることで、レプトクォークのヤコビアンカップリングに対して強い制限をもたらす。
• 将来的な実験（EICおよびFCC-ee）は、補完的なエネルギー領域を探索し、レプトンフラバー不変化の媒介メカニズムを同定するためのマルチプローブ戦略を可能にする。