[论文解读] Electron Beam Dump Constraints on Light Bosons with Lepton Flavor Violating Couplings

Takeshi Araki, Kento Asai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 86被引用 8

一句话总结

本文利用电子束靶实验，特别是E137实验，推导出对轻型、弱相互作用的标量粒子在轻子味违反耦合下的新约束。研究表明，通过电子束靶搜索可排除μ子味违反衰变无法约束的参数区域，尤其针对标量、矢量和电偶极型相互作用，显著提升了对标准模型之外新物理的限制。

ABSTRACT

We study constraints on light and feebly interacting bosons with lepton flavor violation from electron beam dump experiments. Scalar, vector, and dipole interactions of the bosons are analyzed, respectively, and excluded regions from the searches for decays into electron-positron pairs are derived. It is found that parameter regions unconstrained by flavor violating decays of muon can be excluded using the results of the E137 experiment. We also discuss the impact of the search for flavor violating decays of the light bosons in electron beam dump experiments.

研究动机与目标

• 扩展电子束靶实验在探测轻型、弱相互作用玻色子与轻子味违反耦合方面的探测能力。
• 推导涉及电子-μ子味违反的标量、矢量和电偶极型相互作用的新排除界限。
• 比较电子束靶实验与现有μ子味违反衰变（如μ→eγ）的限制之间的灵敏度。
• 评估未来束靶实验探测参数空间中先前未被约束区域的潜力。
• 为具有扩展轻子味违反的理论模型提供解释束靶实验结果的框架。

提出的方法

• 分析三种基准模型：具有Yukawa型相互作用的标量玻色子、具有矢量耦合的矢量玻色子，以及电偶极型相互作用。
• 通过电子束靶中的轫致辐射过程推导产生截面，使用运动学和相空间计算。
• 应用E137实验的数据和探测器几何结构，计算衰变为e⁺e⁻对的信号事件率。
• 使用Kallen函数计算φ→ℓℓ̄和ℓe→eφ过程的部分衰变宽度。
• 将预期的信号事件数与E137对缺失能量或位移顶点事件的上限进行比较，以推导排除界限。
• 将结果转化为耦合常数（y′eμ, g′sc, μ′）随玻色子质量变化的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子束靶实验（如E137）能否排除μ子衰变无法约束的轻型玻色子轻子味违反参数区域？
• RQ2 E137对标量、矢量和电偶极型相互作用的约束与μ→eγ及μ→e+e−过程的现有限制相比如何？
• RQ3 束靶实验对亚GeV质量范围内的轻子味违反耦合的灵敏度如何？
• RQ4 在哪些质量与耦合区域，束靶实验的探测能力超过纯轻子味违反衰变的探测能力？
• RQ5 假设不同的相互作用类型（标量、矢量、电偶极）对推导出的排除界限有何影响？

主要发现

• E137电子束靶实验排除了轻型玻色子在轻子味违反耦合下此前未被约束的参数空间区域。
• 对于标量玻色子，E137实验对耦合常数y′eμ ≲ 10⁻⁵设定了新上限，且在mφ ≲ 100 MeV时优于μ子衰变的约束。
• 对于矢量玻色子（Z′），在mZ′ ≲ 100 MeV的质量范围内，E137对g′sc的约束强于μ→eγ的限制。
• 对于电偶极型相互作用（A′），E137实验对μ′的约束最强，且在mA′ ≲ 100 MeV时，μ′ ≲ 10⁻⁵。
• 在亚GeV区域，束靶实验的约束与μ子衰变的约束相当或更优，尤其对轻型玻色子而言。
• 本研究证明，电子束靶实验是探测标准模型之外轻子味违反新物理的强大工具。