[论文解读] Lepton universality and lepton flavor conservation tests with dineutrino modes

Rigo Bause, Hector Gisbert+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于稀有夸克味变中性流中二轻子衰变模式的、与模型无关的轻子 universality 和轻子味守恒检验方法，利用 SU(2)L 对称性将中微子与带电轻子耦合联系起来。研究表明，通过 $c \to u\,\nu\bar{\nu}$ 和 $t \to b\,\nu\bar{\nu}$ 等过程中的缺失能量测量，可借助轻子味结构探测新物理，关键灵敏度来自 Belle II、BES III 以及未来的 $e^+e^-$ 或缪子对撞机。

ABSTRACT

$SU(2)_L$-invariance links charged dilepton and dineutrino couplings. Phenomenological implications are worked out for flavor changing neutral currents involving strange, charm, beauty and top quark transitions in a model-independent way. We put forward novel tests of lepton universality and lepton flavor conservation in $|Δc|= |Δu|=1$ and $|Δb|= |Δq|=1$, $q=d,s$, transitions suitable for the experiments Belle II and BES III. Single top production plus dileptons uniquely probes semileptonic four-fermion $|Δt|= |Δq'|=1$, $q'=u,c$, couplings and further study at the LHC is encouraged. Tests with single top production associated with dileptons and missing energy are suitable for study at future $e^+ e^-$ or muon colliders.

研究动机与目标

• 建立一种与模型无关的方法，利用稀有夸克衰变中的缺失能量（二轻子）可观测量，测试轻子 universality 与轻子味守恒。
• 利用带电轻子与中微子耦合之间的 $SU(2)_L$-不变关系，将带电轻子对与二轻子振幅联系起来，实现对轻子味结构的间接检验。
• 识别在粲、底和顶夸克领域中，利用二轻子模式探测新物理的新颖且可实现的实验探针，特别关注 $|\Delta c|=|\Delta u|=1$ 和 $|\Delta t|=|\Delta q'|=1$ 的跃迁。
• 评估未来实验（如 Belle II、BES III 和 $e^+e^-$ 对撞机）对这些新物理信号的灵敏度，特别是在具有轻子对或缺失能量的单顶夸克产生过程中。
• 量化右手中微子对这些检验的影响，并识别可抑制其干涉效应的改进分支比限制。

提出的方法

• 利用标准模型有效场论（SMEFT）通过维度六四费米子算符参数化新物理，尊重标准模型的规范对称性与洛伦兹不变性。
• 应用左手带电轻子与中微子耦合之间的 $SU(2)_L$-不变关系，实现从带电轻子对可观测量到二轻子模式的映射：$O(\nu\bar{\nu}) = \sum_{i,j} O(\ell_i^-\ell_j^+)$。
• 通过求和所有带电轻子味通道，推导出二轻子分支比的与模型无关的限制，并在轻子 universality 和 cLFC 假设下，利用带电轻子数据施加约束。
• 分析 $|\Delta c|=|\Delta u|=1$ 和 $|\Delta b|=|\Delta q|=1$ 跃迁（其中 $q=d,s$）以及 $|\Delta t|=|\Delta q'|=1$ 过程，重点关注顶夸克味变中性流与具有轻子对或缺失能量的单顶夸克产生。
• 评估 LHC 在 3000 fb$^{-1}$ 下对 $\mathcal{K}_R^{tc\mu\mu} \lesssim 22$ 和 $\mathcal{K}_R^{tu\mu\mu} \lesssim 2.2$ 的灵敏度，并提出对缺失能量分布的运动学研究。
• 考虑右手中微子对四费米子算符的影响，表明对 $D^0\to\nu\bar{\nu}$ 和 $B_d^0\to\nu\bar{\nu}$ 的改进限制可将它们的影响抑制在理论不确定度范围内。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用 $SU(2)_L$-不变性在缺失能量（二轻子）衰变中检验轻子 universality 与轻子味守恒？
• RQ2 在轻子 universality 与 cLFC 假设下，$c\to u\,\nu\bar{\nu}$ 和 $t\to b\,\nu\bar{\nu}$ 分支比的与模型无关限制是什么？
• RQ3 来自带电轻子对模式的实验限制如何约束稀有粲与底夸克衰变中的二轻子分支比？
• RQ4 在具有轻子对或缺失能量的单顶夸克产生过程中，探测 $|\Delta t|=|\Delta u|=1$ 和 $|\Delta t|=|\Delta c|=1$ 半轻四费米子耦合的前景如何？
• RQ5 右手中微子在多大程度上影响二轻子衰变限制的解释？哪些改进的测量可抑制其影响？

主要发现

• $SU(2)_L$-不变关系使得能够从带电轻子对数据推导出 $O(\nu\bar{\nu})$ 的限制，从而实现在缺失能量模式中对轻子 universality 与 cLFC 的与模型无关检验。
• 对于 $c\to u\,\nu\bar{\nu}$，本文汇总了在 LU、cLFC 和 cLFV 基准下的二轻子分支比上限，最严格的限制为 $\mathcal{B}(D^0\to\nu\bar{\nu}) < 9.4 \times 10^{-5}$（90% 置信水平）。
• 若观测到 $c\to u\,\nu\bar{\nu}$ 衰变，将明确表明存在新物理，因为标准模型振幅受 GIM 抑制，可忽略不计。
• 在 3000 fb$^{-1}$ 下，LHC 对 $|\mathcal{K}_R^{tc\mu\mu}| \lesssim 22$ 和 $|\mathcal{K}_R^{tu\mu\mu}| \lesssim 2.2$ 的灵敏度，为 $|\Delta t|=|\Delta q'|=1$ 耦合提供了强有力的约束。
• 在 Belle II 和 $Z$-工厂中，通过 $B\to K\nu\bar{\nu}$ 与 $B\to K^*\nu\bar{\nu}$，以及 $B\to \pi\nu\bar{\nu}$ 与 $B\to \rho\nu\bar{\nu}$ 的比较，检验轻子 universality 是可行的。
• 若在 0.5 ab$^{-1}$ 下对 $B_s^0\to\nu\bar{\nu}$ 的限制达到 $\lesssim 1.1 \times 10^{-5}$，则可将右手中微子在 $|\Delta b|=|\Delta s|=1$ 衰变中的影响控制在 1% 以内。