[论文解读] Supersymmetric Lepton Flavour Violation at the LHC and LC

Frank F. Deppisch, J. Kalinowski+3 more|ArXiv.org|Jan 30, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用 13

一句话总结

本文研究未来对撞机上的超对称轻子味破坏（SLFV），表明在未来的 $e^{+}e^{-}$ 直线对撞机（LC）上，通过轻 sleptons 对产生与衰变，可借助与 $\tau\to\mu\gamma$ 等稀有电磁衰变的关联，探测 SLFV 的起源。关键结果表明，若在 LHC 上观测到 $Br(\tau\to\mu\gamma) \approx 10^{-8}$，则在 LC 上 $e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$ 的截面可测量为 0.05–10 fb，与低能实验具有强烈互补性。

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.

研究动机与目标

• 评估未来 $e^{+}e^{-}$ 对撞机对超对称轻子味破坏（SLFV）的探测能力，独立于生成轻子味破坏的底层机制。
• 在 mSUGRA 基准情景下，结合 seesaw 机制研究 SLFV，重点分析轻 sleptons 对产生与衰变。
• 研究 LC 上 SLFV 信号与 $l_{\alpha}\to l_{\beta}\gamma$ 等稀有电磁衰变之间的关联，以探究轻子味破坏的起源。
• 展示 LHC 与 LC 在探测 SLFV 方面的互补性，尤其在 $\mu$-$\tau$ 通道中。

提出的方法

• 利用轻 sleptons 混合矩阵 $W_{i\alpha}$ 模拟 $e^{+}e^{-}$ 对撞机上轻 sleptons 对产生信号 $e^{+}e^{-}\to\tilde{l}_{j}^{+}\tilde{l}_{i}^{-}\to l_{\alpha}^{+}l_{\beta}^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$。
• 应用 seesaw 机制，通过重右手中微子对跑动的量子修正影响，生成轻 sleptons 质量中的轻子味破坏。
• 采用简化模型，仅考虑 $\tilde{\nu}_{\mu}$-$\tilde{\nu}_{\tau}$ 混合，将 $\tilde{\theta}_{23}$ 与 $\Delta\tilde{m}_{23}$ 视为自由参数。
• 通过蒙特卡罗模拟估算 $e^{+}e^{-}$ 过程的截面，假设 $\sqrt{s} = 800$ GeV 且 $\tilde{\chi}_{1}^{0}$ 为最轻中性ino。
• 将 $e^{+}e^{-}$ 截面预测与 $\mu\to e\gamma$ 和 $\tau\to\mu\gamma$ 的实验限制进行比较，以约束模型参数。
• 分析 $\tau\to\mu\gamma$ 分支比与 $e^{+}e^{-}$ 轻 sleptons 对产生率之间的关联，以识别 SLFV 的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来的 $e^{+}e^{-}$ 对撞机能否独立于生成轻子味破坏的底层机制，探测 SLFV？
• RQ2 在 seesaw 机制诱导的 SLFV 的 mSUGRA 情景下，$e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$ 的预期截面是多少？
• RQ3 $\tau\to\mu\gamma$ 分支比与 $e^{+}e^{-}$ 轻 sleptons 对产生率之间的关联如何帮助识别 SLFV 的起源？
• RQ4 当前对 $\mu\to e\gamma$ 的限制在多大程度上制约了在直线对撞机上观测 $e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$ 的可能性？
• RQ5 中微子 sector 的不确定性如何影响 $\tau\to\mu\gamma$ 与 $e^{+}e^{-}$ 轻 sleptons 产生信号之间的关联？

主要发现

• 若在 LHC 上观测到 $Br(\tau\to\mu\gamma) = 10^{-8}$，则在未来的直线对撞机上 $e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$ 的截面将为 0.05–10 fb。
• 如图 4 所示，$\tau\to\mu\gamma$ 与 $e^{+}e^{-}$ 轻 sleptons 对产生之间的关联对中微子 sector 的不确定性具有鲁棒性。
• 若测量到 $Br(\tau\to\mu\gamma) = 10^{-8}$，则可推断 $\sin 2\tilde{\theta}_{23} \geq 0.4$ 且 $\Delta\tilde{m}_{23} \approx 0.3-1$ GeV。
• 若在新 PSI 实验中未观测到 $\mu\to e\gamma$ 且 $Br \lesssim 10^{-13}$，则在模型 B 中将排除在 LC 上观测到 $e^{+}e^{-}\to\tau^{+}\mu^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$ 的可能性。
• $e^{+}e^{-}\to\mu^{+}e^{-}+2\tilde{\chi}_{1}^{0}$ 的截面为 1 fb 与当前限制一致，但若未观测到 $\mu\to e\gamma$，则此类信号将被限制在 0.1 fb 以下。
• $\tau\to\mu\gamma$ 与 $e^{+}e^{-}$ 轻 sleptons 产生之间的关联对 mSUGRA 参数仍保持敏感，使其成为探测 SLFV 起源的强大工具。