[论文解读] Snowmass 2021 White Paper: Charged lepton flavor violation in the tau sector

S. Banerjee, Vincenzo Cirigliano+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 114被引用 9

一句话总结

本篇2021年Snowmass白皮书评估了通过τ轻子味中性流过程探测新物理的潜力，重点关注未来实验如Belle II、LHC、EIC和FCC-ee。结果表明，Belle II即将获取的数据可使对CLFV的灵敏度相比当前限制提高约3倍，对$ C_{\text{γ}} $威尔逊系数的预期新物理有效能标上限可达~1.1 PeV。

ABSTRACT

Charged lepton flavor violation has long been recognized as unambiguous signature of New Physics. Here we describe the physics capabilities and discovery potential of New Physics models with charged lepton flavor violation in the tau sector as its experimental signature. Current experimental status from the B-Factory experiments BaBar, Belle and Belle II, and future prospects at Super Tau Charm Factory, LHC, EIC and FCC-ee experiments to discover New Physics via charged lepton flavor violation in the tau sector are discussed in detail. Submitted to the Proceedings of the US Community Study on the Future of Particle Physics (Snowmass 2021)

研究动机与目标

• 评估通过τ轻子味中性流过程探测新物理的潜力。
• 评估当前及未来实验——Belle II、LHC、EIC和FCC-ee——对涉及τ轻子的CLFV过程的灵敏度。
• 量化未来数据如何约束有效场论算符及存在轻子味违反的模型中的新物理能标。
• 探讨威尔逊系数之间的关联性及其对约束新物理模型的影响。
• 识别最具敏感性的通道（如$\tau \to \mu\gamma$），以探测多TeV能标范围的新物理。

提出的方法

• 使用有效场论（SMEFT）通过六维算符建模CLFV过程，重点关注$ C_{\gamma} $和$ C_{\text{Z}} $威尔逊系数。
• 应用来自$ \tau \to \mu\gamma $和$ \tau \to 3\mu $衰变的实验限制，约束新物理能标$ \Lambda $。
• 采用单独分析与边缘化统计分析，以考虑威尔逊系数之间的关联性。
• 利用预期的Belle II数据（50 ab⁻¹）、HL-LHC（300 fb⁻¹）以及EIC/FCC-ee数据，预测未来灵敏度。
• 通过$ \Gamma(\tau \to \mu\gamma) \propto m_\tau^3 C^2 / \Lambda^4 $计算衰变宽度，将实验限制与新物理能标关联。
• 将结果应用于轻子球模型，表明即使在圈图贡献下，$ \tau \to \mu\gamma $仍可约束Yukawa耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 Belle II在未来十年内对$ \tau \to \mu\gamma $及其他CLFV模式的灵敏度预期如何？
• RQ2 威尔逊系数之间的关联性如何影响有效场论中新物理能标的约束？
• RQ3 未来实验——LHC、EIC、FCC-ee——中哪一个对τ轻子味中性流过程提供最互补的探测？
• RQ4 尽管贡献为圈图级别，$ \tau \to \mu\gamma $在多大程度上可约束轻子球模型？
• RQ5 与当前限制相比，$ \Lambda $-尺度新物理灵敏度的预期提升程度如何？

主要发现

• Belle II预计可使对$ \tau \to \mu\gamma $的灵敏度相比当前Belle限制提高约3倍，预计对$ C_{\gamma} \approx 1 $的约束达到$ \Lambda \gtrsim 1100\,\text{TeV} $。
• 利用Belle II数据，威尔逊系数的约束为$ |C_{\gamma}|/G_F\Lambda^2 \lesssim 6.6 \times 10^{-8} $（90%置信水平），相比当前Belle数据的$ 1.7 \times 10^{-7} $有显著提升。
• 在边缘化分析中纳入威尔逊系数之间的关联性，导致约束放宽，从而为新物理模型提供更现实的限制。
• $ \tau \to \mu\gamma $衰变模式对新物理极为敏感，即使在贡献被圈图抑制的情况下，其有效能标$ \Lambda $的探测范围仍可达约1.1 PeV。
• 通过$ \tau \to \mu\gamma $通道的CLFV可对轻子球Yukawa耦合施加强约束，尤其当与$ \tau \to 3\mu $等其他模式联合分析时效果更显著。
• 未来实验如EIC和FCC-ee将探测互补的能量尺度，实现多探针策略，有助于识别轻子味违反的潜在媒介机制。