[论文解读] Disentangling new physics contributions in lepton flavour violating tau decays

Alejandro Celis, Vincenzo Cirigliano+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 6

一句话总结

本文通过有效场论研究了如何区分导致轻子 flavor 违反（LFV）τ衰变的不同新物理算符。通过分析衰变率和微分分布之间的关联性，特别是τ→μπ⁺π⁻中的π子不变质量谱，研究表明，共振附近的强子形式因子在区分动力学机制中起关键作用。一个关键结果是，CMS对Higgs介导的LFV衰变的约束（BR(h→τμ) ≤ 1.57%）对Higgs介导的LFV τ衰变施加了强烈限制，得出BR(τ→μγ) ≤ 2.3×10⁻⁹ 和 BR(τ→3μ) ≤ 4.7×10⁻¹²。

ABSTRACT

The possibility to discriminate between different operators contributing to lepton flavour violating tau decays is discussed within an effective field theory framework. Correlations among decay rates in different channels as well as differential distributions in many-body decays are considered. Recent developments in the determination of the hadronic form factors for $τ ightarrow \ell ππ$ ($\ell = e, μ$) decays are incorporated in the analysis. The above issues are exemplified by considering a Higgs-like boson with lepton flavour violating couplings. Implications of the search for lepton flavour violating Higgs decays performed recently by the CMS collaboration are also discussed.

研究动机与目标

• 确定如何区分轻子 flavor 违反（LFV）τ衰变中不同新物理算符的方法。
• 评估衰变率和微分分布之间的关联性在如τ→μπ⁺π⁻等三体衰变中的作用。
• 评估强度前沿（τ衰变）与能量前沿（Higgs衰变）在探测LFV现象方面的互补性。
• 在低能LFV τ衰变的背景下，解释近期CMS对LFV Higgs衰变（h→τμ）的搜索结果。
• 在假设SM类对角Higgs耦合的前提下，量化来自Higgs和τ衰变模式的LFV耦合约束。

提出的方法

• 采用包含磁偶极、四费米子和胶子算符的维度-6算符有效场论框架。
• 结合了近期在τ→μπ⁺π⁻衰变中，特别是在ρ共振附近强子形式因子的进展。
• 将τ→μπ⁺π⁻中的π子不变质量谱作为区分潜在动力学机制的判据。
• 对LFV衰变（如τ→μγ、τ→3μ）的两圈Barr-Zee贡献进行评估，以获得模型无关的约束。
• 通过与有效算符的匹配，将CMS对BR(h→τμ) ≤ 1.57%的约束转化为对低能LFV τ衰变的间接约束。
• 比较Higgs介导与光子介导的τ→μπ⁺π⁻和τ→3μ衰变的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在LFV τ衰变中区分不同新物理算符（如磁偶极、四费米子、胶子算符）？
• RQ2 τ→μπ⁺π⁻中π子不变质量谱在区分Higgs介导与光子介导的LFV动力学中起什么作用？
• RQ3 CMS对LFV Higgs衰变（h→τμ）的搜索约束如何转化为对低能LFV τ衰变的约束？
• RQ4 强度前沿（τ衰变）与能量前沿（Higgs衰变）在探测LFV方面有何互补性？
• RQ5 SM类对角Higgs耦合在解释LFV Higgs约束方面的影响有多大？

主要发现

• τ→μπ⁺π⁻中π子不变质量谱是区分Higgs介导与光子介导LFV动力学的有力判据。
• 在ρ共振附近强子形式因子的近期改进对于准确区分新物理算符至关重要。
• CMS对BR(h→τμ) ≤ 1.57%的约束在95%置信水平下，转化为强有力的间接约束：BR(τ→μγ) ≤ 2.3×10⁻⁹ 和 BR(τ→3μ) ≤ 4.7×10⁻¹²。
• Higgs介导的LFV τ衰变受到CMS Higgs搜索的强烈约束，除非新物理增强Higgs耦合，否则这些衰变不太可能被观测到。
• 来自τ→μπ⁺π⁻的约束与来自h→τμ的约束具有互补性，前者提供了对非Higgs贡献的约束。
• 两圈Barr-Zee贡献对于准确估算LFV分支比至关重要，尤其对τ→μγ和τ→3μ而言。