[论文解读] Complementarity in lepton-flavour violating muon decay experiments

Andreas Crivellin, Sacha Davidson+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文利用包含一环跑动的维度5和维度6算符的有效场论框架，系统分析了轻子味破坏的μ衰变（μ→eγ 和 μ→3e）。研究结果表明，MEG II 与 Mu3e 实验具有互补性：μ→eγ 对偶极算符敏感，而 μ→3e 可探测到 γ 衰变搜索无法触及的参数空间区域；若仅存在偶极算符与四费米子算符，则 Mu3e 预期将提供最严格的约束。

ABSTRACT

This note presents an analysis of lepton-flavour-violating muon decays within the framework of a low-energy effective field theory that contains higher-dimensional operators allowed by QED and QCD symmetries. The decay modes $μ o e γ$ and $μ o 3e$ are investigated below the electroweak symmetry-breaking scale, down to energies at which such processes occur, i.e. the muon mass scale. The complete class of dimension-5 and dimension-6 operators is studied systematically at the tree level, and one-loop contributions to the renormalisation group equations are fully taken into account. Current experimental limits are used to extract bounds on the Wilson coefficients of some of the operators and, ultimately, on the effective couplings at any energy level below the electroweak symmetry-breaking scale. Correlations between two couplings relevant to both processes illustrate the complementarity of searches planned for the MEG II and Mu3e experiments.

研究动机与目标

• 在电弱尺度以下的有效的场论框架内，系统分析轻子味破坏的μ衰变（μ→eγ 和 μ→3e）。
• 确定即将开展的 MEG II 与 Mu3e 实验在探测 LFV 算符参数空间不同区域方面的互补性。
• 利用当前实验限制与一环跑动方程，提取不同能量尺度下威尔逊系数的稳健约束。
• 识别 μ→3e 可探测但 μ→eγ 无法探测的参数空间区域，尤其在偶极算符与四费米子算符共存时。

提出的方法

• 构建一个低能有效拉格朗日量，包含所有满足 QED 与 QCD 对称性的维度5和维度6算符。
• 在树图层次分析 μ→eγ 与 μ→3e 衰变振幅，包含所有相关的高维算符。
• 计算威尔逊系数的一环跑动方程（RGEs），考虑算符之间的混合。
• 利用当前实验限制（Br(μ→eγ) ≤ 4.2×10⁻¹³ 与 Br(μ→3e) ≤ 1.0×10⁻¹²）约束 μ 质量尺度下的威尔逊系数。
• 通过 RGEs 将威尔逊系数从电弱对称性破缺尺度演化至 μ 质量尺度。
• 分析偶极算符与四费米子算符之间的关联，以阐明 MEG II 与 Mu3e 实验之间的互补性。

实验结果

研究问题

• RQ1 维度5与维度6算符的威尔逊系数的跑动方程如何影响 LFV 衰变分支比的物理解释？
• RQ2 MEG II 与 Mu3e 实验在探测 LFV 参数空间不同区域方面的互补性程度如何？
• RQ3 在有效场论中，μ→eγ 与 μ→3e 哪一衰变模式对偶极算符与四费米子算符的特定组合更敏感？
• RQ4 即使灵敏度提升，μ→3e 通道是否仍能探测到 μ→eγ 实验无法触及的参数空间区域？
• RQ5 基于当前实验限制与 RGE 演化，电弱尺度下威尔逊系数的最强约束是什么？

主要发现

• μ→3e 衰变模式可探测到 μ→eγ 实验无法触及的参数空间区域，尤其在偶极算符与四费米子算符共存时更为显著。
• MEG II 实验预计对 Br(μ→eγ) 的灵敏度将达到 4×10⁻¹⁴，相比当前限制提升一个数量级（10倍）。
• Mu3e 实验预计对 Br(μ→3e) 的灵敏度将比当前限制提升四个数量级，使其成为探测四费米子算符最灵敏的手段。
• 在无其他混合算符的情况下，Mu3e 实验的最终阶段将对偶极算符与四费米子算符的联合参数空间提供最严格的约束。
• 一环 RGE 跑动显著改变了威尔逊系数的演化行为，尤其当如 C₆^{T_bb} 等算符在 EWSB 尺度生成时，会影响对低能可观测量的物理解释。
• MEG II 与 Mu3e 之间的互补性在 RGE 跑动下依然稳健，偶极算符与四费米子耦合之间的关联结构在不同能量尺度下保持一致。