[论文解读] Charged Lepton Flavour Violation in Heavy Particle DEcays

Wolfgang Altmannshofer, C. Caillol+3 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文综述了在标准模型之外的新物理背景下，重希格斯玻色子、Z玻色子和顶夸克衰变中的带电轻子味破坏（CLFV）。基于标准模型有效场论框架，评估了当前大型强子对撞机（LHC）的限制，并预测了未来对撞机（如HL-LHC、CEPC和FCC-ee）的探测灵敏度，表明未来实验有望将Z玻色子衰变的CLFV分支比探测至$10^{-9}$量级，Higgs玻色子衰变探测至$10^{-5}$量级，为检验标准模型之外的新物理提供有力手段。

ABSTRACT

Charged lepton flavor violation is an unambiguous signature for New Physics. Here we present a summary of the theoretical and experimental status of the search for charged lepton flavor violation in heavy particle decays, in particular in the decays of the Z and Higgs bosons, and of the top quark. Decays of beyond-Standard-Model particles such as a Z' or an additional scalar particle are also discussed. Finally the prospects for such searches at proposed future electron-positron colliders are reviewed.

研究动机与目标

• 评估Z玻色子、Higgs玻色子和顶夸克等重粒子衰变中带电轻子味破坏（CLFV）的理论与实验现状。
• 评估当前及未来实验（尤其是LHC和计划中的未来e+e−对撞机）对CLFV过程的探测灵敏度，作为探索新物理的探针。
• 量化未来对撞机（如CEPC和FCC-ee）在探测Z玻色子和Higgs玻色子衰变中CLFV的探测能力，特别是在有效场论模型背景下的表现。
• 将CLFV信号与μ子反常磁矩$g-2$异常及其他味物理异常的潜在解释联系起来。

提出的方法

• 本研究采用标准模型有效场论（SMEFT）框架，通过六维算符（如电偶极矩算符和Higgs流算符）建模新物理对CLFV过程的贡献。
• 利用LEP和LHC（ATLAS/CMS）数据分析Z → ℓℓ′衰变的分支比限制，其中ATLAS最新结果给出$\mathcal{B}(Z\to\mu e) < 2.62 \times 10^{-7}$的更新限制。
• 对于Higgs衰变，分析eμ、eτ和μτ末态的重建不变质量，应用动量学截断并要求与Higgs玻色子质量一致以抑制背景。
• 利用模拟的亮度和探测器性能，预测未来e+e−对撞机（CEPC、FCC-ee、ILC）的探测灵敏度，估算信号效率与背景抑制能力。
• 方法中还包括评估探测器能量分辨率和粒子识别对CLFV探测灵敏度的影响，尤其关注Z → μe模式中μ子被误识别为电子这一关键系统误差。
• 通过顶夸克衰变（t → uμe、t → cμe）和共振态搜索（如Z′ → eμ、eτ、μτ）的限制，对新物理模型进行约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前实验对Z → ℓℓ′衰变的限制是什么？这些限制如何约束新物理模型？
• RQ2 与LHC相比，未来e+e−对撞机（如CEPC和FCC-ee）在探测Z和Higgs玻色子衰变中CLFV的灵敏度有何提升？
• RQ3 顶夸克衰变中的CLFV在多大程度上可探测新物理？HL-LHC的预期探测灵敏度如何？
• RQ4 Z和Higgs玻色子衰变中的CLFV能否为μ子反常磁矩$g-2$异常提供可行解释？
• RQ5 探测器性能和重建效率如何影响未来对撞机中Z和Higgs玻色子衰变CLFV探测的灵敏度？

主要发现

• ATLAS合作组将Z → μe衰变的分支比限制提升至$\mathcal{B}(Z\to\mu e) < 2.62 \times 10^{-7}$，比以往LEP限制提高了七倍。
• 目前最严格的Higgs玻色子衰变限制为：CMS给出$\mathcal{B}(H\to\mu\tau) < 0.15\%$和$\mathcal{B}(H\to e\tau) < 0.22\%$，ATLAS给出$\mathcal{B}(H\to e\mu) < 6.1 \times 10^{-5}$。
• HL-LHC预计可将Z → μe衰变的探测灵敏度提高五倍，达到$\sim 10^{-7}$量级，Z → τe/μτ衰变的灵敏度可达$\sim 10^{-6}$量级。
• 未来e+e−对撞机（如FCC-ee）有望实现Z → μe的探测灵敏度达$\sim 10^{-9}$，H → eμ的探测灵敏度达$\sim 10^{-5}$，具体取决于探测器性能。
• 对于H → τℓ模式，由于τ轻子的分支比和重建挑战，信号效率约为5%，导致背景更高，灵敏度低于eμ模式。
• CEPC和FCC-ee对H → eμ的探测灵敏度预计为$\mathcal{B} < 1.2 \times 10^{-5}$，而对H → eτ和H → μτ的灵敏度为$\mathcal{B} < 1.5 \times 10^{-4}$。