[论文解读] Lepton Flavour Violating tau and mu decays induced by scalar leptoquark

Rachid Benbrik, M. Chabab+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文研究了轻标量轻子球子介导的τ和μ子衰变中的轻子 flavor 破坏（LFV），在一阶微扰计算中计算了如$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$和$\ell\to\ell'\gamma$等过程的分支比。结果表明，标量轻子球子的 Yukawa 耦合可产生显著的 LFV 率，特定参数选择下分支比可达当前实验极限，且与$g-2_\mu$、μ-e 转换及π介子衰变的约束一致。

ABSTRACT

We show that the scalar leptoquark Yukawa couplings generate a significant lepton flavour violation. We compute the light scalar leptoquark contributions to the branching ratios (Br) of the lepton flavour violating (LFV) decays $\ell o \ell_i \ell_j \bar{\ell}_j$ and $\ell ightarrow \ell^{\prime} γ$ with (i,j = e,$μ$). We discuss the role of the relevant input parameters to these decay rates which are the Yukawa couplings ($h_{a\ell}$) with ($a=u,c,t$), the light scalar mass $M_{S_{1}}$ and the mixing angle $\sin2θ_{LQ}$. We investigate the experimental limits from $(g-2)_μ$, $μ-e$ conversion and $π o e ν_e, μν_μ$ to get constraint on the input parameter space. We predict that the upper limits on the branching ratios of $τ o \ell_i \ell_j \bar{\ell}_j $ can reach the experimental current limits. We also show that it is possible to accommodate both $τ o \ell_i \ell_j \bar{\ell}_j$ and $τ o \ellγ$ branching ratios for certain choices of LQ parameters.

研究动机与目标

• 研究轻标量轻子球子在标准模型之外生成轻子 flavor 破坏衰变$\ell\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$和$\ell\to\ell'\gamma$的作用。
• 计算标量轻子球子在一阶微扰图中对这些 LFV 过程分支比的贡献。
• 利用$g-2_\mu$、μ-e 转换及$\pi\to e\nu_e, \mu\nu_\mu$衰变的实验限制，对轻子球子参数空间进行约束。
• 评估在模型中同时解释$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$和$\tau\to\ell\gamma$分支比的可行性。

提出的方法

• 该研究采用一种具有 Yukawa 耦合$h_{a\ell}$（其中$a = u,c,t$）的标量轻子球子模型，以在量子圈图层次上介导 LFV。
• 通过包含光子和Z玻色子的 penguin 图与 box 图，计算$\ell\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$和$\ell\to\ell'\gamma$衰变的振幅。
• 利用一阶圈积分及特殊函数$F_1(x)$、$F_2(x)$和$D_0(x,y,z,k)$推导理论预测，这些函数编码了圈动量依赖性。
• 将$g-2_\mu$、μ-e 转换及$\pi\to e\nu_e, \mu\nu_\mu$的约束应用于限制 Yukawa 耦合与轻子球子质量的参数空间。
• 将混合角$\sin 2\theta_{LQ}$与标量轻子球子质量$M_{S_1}$作为关键输入参数，评估分支比对这些参数的敏感性。
• 将理论预测与实验上限进行比较，包括$\text{Br}(\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j) \leq 8\times 10^{-8}$与$\text{Br}(\mu\to e\gamma) < 1.2\times 10^{-11}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前实验极限范围内，标量轻子球子能否产生可观测的$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$衰变分支比？
• RQ2 分支比$\ell\to\ell'\gamma$对 Yukawa 耦合$h_{a\ell}$、轻子球子质量$M_{S_1}$与混合角$\sin 2\theta_{LQ}$的敏感性如何？
• RQ3 该模型在不违反其他约束的前提下，能在多大程度上同时容纳$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$与$\tau\to\ell\gamma$的 LFV 衰变？
• RQ4 来自$g-2_\mu$、μ-e 转换及$\pi\to e\nu_e, \mu\nu_\mu$的约束如何限制标量轻子球子模型的可行参数空间？
• RQ5 在轻子球子模型中，辐射修正与干涉效应在$\pi\to e\nu_e$与$\pi\to\mu\nu_\mu$衰变率之比中的作用是什么？

主要发现

• 对于特定的轻子球子参数选择，$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$的分支比可达到当前实验上限$8\times 10^{-8}$。
• 该模型预测，对于某些 Yukawa 耦合配置，$\tau\to\ell_i\ell_j\bar{\ell}_j$与$\tau\to\ell\gamma$衰变可同时处于实验可观测范围内。
• $\text{Br}(\mu\to e\gamma)$的上限被约束在$<1.2\times 10^{-11}$，且该边界可由轻子球子质量与耦合参数的特定选择所容纳。
• $g-2_\mu$与μ-e 转换的约束显著限制了允许的参数空间，尤其对大 Yukawa 耦合而言。
• 比值$R = \Gamma(\pi^+\to e\nu_e)/\Gamma(\pi^+\to \mu\nu_\mu)$对轻子球子贡献敏感，允许的偏离被限制在$R_{\text{min}} < -1.06\times 10^{-8}~\text{GeV}^{-2}$与$R_{\text{max}} < 2.45\times 10^{-9}~\text{GeV}^{-2}$之间（95%置信水平）。
• 该模型对$\tau\to\mu\gamma$与$\tau\to e\gamma$的预测分别被限制在$6.8\times 10^{-8}$与$1.1\times 10^{-7}$以内，且在合适的参数选择下与当前实验限制一致。