[论文解读] Lepton Flavor Violation in the LHT - A Clear Distinction from Supersymmetry

Bjoern Duling|ArXiv.org|Sep 27, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文研究了具有T-对称性的最小希格斯模型（LHT）中的轻子味破坏（LFV），表明LFV衰变分支比相关性——特别是如 $ R = \frac{Br(\tau \to eee)}{Br(\tau \to \mu\mu\mu)} \frac{Br(\tau \to \mu e e)}{Br(\tau \to e\mu\mu)} $ 这类比值——在LHT中几乎为1，这是由于Z-胶子和泡 diagram 占主导，与MSSM中由偶极矩算符主导、比值显著偏离1形成鲜明对比。这提供了一个清晰的、可区分模型的信号。

ABSTRACT

The Littlest Higgs Model with T-Parity (LHT) contains new sources of flavor and CP violation both in the quark and lepton sector. These have their origin in interactions of ordinary fermions with mirror fermions mediated by new heavy gauge bosons. Large deviations from the Standard Model (SM) are to be expected in the lepton sector where tiny neutrino masses suppress the SM predictions by many orders of magnitude below the experimentally accessible level. Here we give a brief summary of LFV processes relevant for the foreseeable future and point out that correlations between branching ratios of LFV decays in the LHT exhibit a structure vastly different from their analogues in the MSSM, thus allowing for a transparent distinction between these two models.

研究动机与目标

• 识别并分析最小希格斯模型中T-对称性（LHT）中对新味破坏相互作用敏感的轻子味破坏（LFV）过程。
• 比较LHT与MSSM中LFV分支比相关性的结构，特别关注偶极矩与胶子/泡图贡献的作用。
• 确立LHT预测了与超对称模型根本不同的、可测量的LFV衰变速率比值，从而实现清晰的模型区分。
• 证明LHT中右旋流的缺失以及T-奇规范玻色子主导的Z-胶子图导致了独特的LFV衰变率模式。
• 为利用低能LFV实验（如 $\mu \to e\gamma$、$\mu \to eee$ 和核中的 $\mu$-e 转换）区分LHT与MSSM提供一个框架。

提出的方法

• 分析LHT模型中T-奇规范玻色子（$W_H^\pm, Z_H, A_H$）和镜像费米子（镜像轻子）对标准模型费米子之间味破坏相互作用的介导作用。
• 使用镜像轻子混合矩阵 $V_{H\ell}$，通过三个混合角 $\theta_{ij}^\ell$ 和三个复相位 $\delta_{ij}^\ell$ 参数化，计算LFV振幅。
• 通过涉及 $Z_H$、$W_H^\pm$ 和 $A_H$ 规范玻色子的一圈图评估LFV衰变振幅，其中Z-胶子图和泡图贡献占主导。
• 计算分支比之比，如 $ R = \frac{Br(\tau \to eee)}{Br(\tau \to \mu\mu\mu)} \frac{Br(\tau \to \mu e e)}{Br(\tau \to e\mu\mu)} $，以探测其背后的算符结构。
• 将LHT的预测与MSSM进行比较，特别是在有无显著希格斯贡献的场景下，突出算符主导性的差异。
• 评估 $\mu \to e\gamma$ 中的角分布以及 $\tau$ 衰变中的Dalitz图分析，以提取手征结构和相对相位的信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHT与MSSM之间，$\mu \to e\gamma$、$\mu \to eee$ 和 $\tau \to \ell\ell\ell$ 等LFV衰变的分支比相关性有何不同？
• RQ2 在LHT中，LFV过程的主要贡献来自偶极矩、Z-胶子图还是泡图？这种贡献如何影响预测的分支比模式？
• RQ3 比值 $ R = \frac{Br(\tau \to eee)}{Br(\tau \to \mu\mu\mu)} \frac{Br(\tau \to \mu e e)}{Br(\tau \to e\mu\mu)} $ 是否可作为区分LHT与MSSM的清晰判据？
• RQ4 LHT中右旋流的缺失以及T-奇规范玻色子的主导作用，与超对称相比，对预期LFV现象学的改变程度如何？
• RQ5 未来的低能LFV实验（如核中的 $\mu$-e 转换或极化的 $\mu \to e\gamma$）能否基于不同衰变模式的相对大小，区分LHT与MSSM？

主要发现

• 在LHT模型中，比值 $ R = \frac{Br(\tau \to eee)}{Br(\tau \to \mu\mu\mu)} \frac{Br(\tau \to \mu e e)}{Br(\tau \to e\mu\mu)} $ 预测为 $ 0.8 \lesssim R_{\text{LHT}} \lesssim 1.2 $，表明 $\mu$ 和 $e$ 最终态之间近乎对称。
• 相比之下，在以偶极矩算符为主导的MSSM中，$ R_{\text{MSSM}} \simeq 20 $，显示出由于对数增强的偶极矩贡献而引起的强烈 $\mu$-$e$ 不对称性。
• 在LHT中，偶极矩算符可忽略不计，Z-胶子图和泡图主导了LFV振幅，导致其算符结构与MSSM有本质不同。
• 如 $ \frac{Br(\mu \to eee)}{Br(\mu \to e\gamma)} $ 这类比值在LHT中为 $ \mathcal{O}(1) $（0.4–2.5），而在MSSM中即使有显著的希格斯贡献，也受到 $ \sim 10^{-3} $ 的抑制。
• 在LHT中，比值 $ \frac{Br(\tau \to \mu\mu\mu)}{Br(\tau \to \mu e e)} $ 约为 1.2 到 1.6，而在MSSM中约为 0.2，进一步凸显了算符主导性的差异。
• 若在实验中测得核中 $\mu$-e 转换的分支比与 $Br(\mu \to e\gamma)$ 处于同一量级，则强烈指向LHT物理而非MSSM，这是由于LHT具有独特的味结构且缺乏右旋流。