[论文解读] Feasibility at the LHC, FCC-he and CLIC for sensitivity estimates on anomalous $τ$-lepton couplings

A. Gutiérrez-Rodríguez, M. Köksal+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文通过τ对产生并伴随光子发射的模式，评估了大型强子对撞机（LHC）、未来强子对撞机（FCC-he）和国际线性对撞机（CLIC）对τ轻子异常磁偶极矩和电偶极矩的敏感度。采用95%置信水平的模型无关分析，结果表明CLIC提供最灵敏的约束，在3 TeV和3000 fb⁻¹条件下，对$\tilde{a}_{\tau}$的敏感度达到$[-0.00128, 0.00105]$，对$|\tilde{d}_{\tau}|$的敏感度达到$6.44 \times 10^{-18}$，优于LHC和FCC-he。

ABSTRACT

In this paper, we present detailed studies on the feasibility at $pp$, $e^-p$ and $e^+e^-$ colliders for model-independent sensitivity estimates on the total cross-section and on the anomalous $τ^+τ^-γ$ interaction through the tau pair production channels $pp o pτ\bar τγp$, $e^-p o e^- τ\bar τγp$ and $e^+e^- o e^+ τ\bar τγe^-$ at the $γ^*γ^* o τ^+τ^-γ$ mode. Measurements of the anomalous couplings of the $τ$-lepton $ ilde{a}_τ$ and $ ilde{d}_τ$ provide an excellent opportunity to probing extensions of the Standard Model. We estimate the sensitivity at the $95\%$ Confidence Level, and we consider that the $τ$-lepton decays leptonically or semi-leptonically. We found that of the three considered colliders, the future CLIC at high energy and high luminosity should provide the best sensitivity on the dipole moments of the $τ$-lepton $ ilde a_τ= [-0.00128, 0.00105]$ and $ | ilde{d}_τ({ m ecm})|= 6.4394 imes 10^{-18}$, which show a potential advantage compared to those from LHC and FCC-he.

研究动机与目标

• 通过γ标记的τ对产生研究未来对撞机探测异常$\tau^+\tau^-$耦合的可行性。
• 比较pp、e⁻p和e⁺e⁻对撞机对τ轻子磁偶极矩($\tilde{a}_{\tau}$)和电偶极矩($\tilde{d}_{\tau}$)的敏感度。
• 为LHC、FCC-he和CLIC提供$\tilde{a}_{\tau}$和$|\tilde{d}_{\tau}|$在95%置信水平下的模型无关敏感度估计。
• 评估不同亮度和质心系能量对探测异常τ轻子耦合的覆盖范围的影响。

提出的方法

• 在$\gamma^*\gamma^*$质心系能量下，对$pp \to p\tau\bar{\tau}\gamma p$、$e^-p \to e^-\tau\bar{\tau}\gamma p$和$e^+e^- \to e^+\tau\bar{\tau}\gamma e^-$过程进行模型无关的敏感度估计。
• 使用蒙特卡洛模拟对τ轻子衰变进行建模，包括纯轻子末态和半轻子末态。
• 在异常$\tau^+\tau^-\gamma$耦合的有效拉格朗日量中，将$\tilde{a}_{\tau}$和$\tilde{d}_{\tau}$视为自由参数。
• 基于10至3000 fb⁻¹的积分亮度所对应的预期统计不确定性，在95%置信水平下评估敏感度。
• 假设τ轻子衰变产物具有实际的探测器接受度和重建效率。
• 通过计算截面和信噪比，确定异常耦合的探测范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13和14 TeV质心系能量下，LHC对异常$\tau^+\tau^-$耦合的模型无关敏感度如何？
• RQ2 在7.07和10 TeV下，FCC-he对$\tilde{a}_{\tau}$和$|\tilde{d}_{\tau}|$的敏感度与LHC相比如何？
• RQ3 在1.5和3 TeV下，CLIC对τ轻子磁偶极矩和电偶极矩的预期敏感度是多少？
• RQ4 在高亮度条件下，CLIC能否在$\tilde{a}_{\tau}$和$|\tilde{d}_{\tau}|$方面优于LHC和FCC-he？
• RQ5 不同的τ轻子衰变模式（纯轻子模式与半轻子模式）如何影响对异常耦合的敏感度？

主要发现

• 在CLIC中，$\sqrt{s} = 3$ TeV且$\mathcal{L} = 3000$ fb⁻¹条件下，$\tilde{a}_{\tau}$在95%置信水平下的敏感度达到$[-0.00174, 0.00150]$。
• 在相同CLIC条件下，$|\tilde{d}_{\tau}|$对纯轻子衰变的敏感度为$8.94 \times 10^{-18}$，对半轻子衰变的敏感度为$6.44 \times 10^{-18}$。
• CLIC在三类对撞机中实现最佳敏感度，$|\tilde{d}_{\tau}|$在3 TeV和3000 fb⁻¹条件下达到$6.44 \times 10^{-18}$，显著低于LHC和FCC-he的限制。
• 在LHC中，$\sqrt{s} = 14$ TeV且$\mathcal{L} = 200$ fb⁻¹条件下，$|\tilde{d}_{\tau}|$的敏感度为$3.69 \times 10^{-17}$，比CLIC低一个数量级。
• 在FCC-he中，$\sqrt{s} = 10$ TeV且$\mathcal{L} = 1000$ fb⁻¹条件下，$|\tilde{d}_{\tau}|$为$1.72 \times 10^{-17}$，仍不如CLIC敏感。
• 本研究证实，CLIC的高亮度和清洁环境为精确测量异常τ轻子耦合提供了最优条件。