Charged lepton flavour violation
| Title: | Charged lepton flavour violation |
| Author(s): | Koivunen, Niko |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics |
| Discipline: | Theoretical Physics |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2015 |
| Abstract: |
Flavour violating processes have never been observed for charged leptons, electron, muon and tau. The existence of charged lepton flavour violating (CLFV) processes is however expected, since flavour is violated by all the other fermions of the standard model (SM). In the standard model the neutrinos are massless, which forbids the mixing of neutrino flavour and also the violation of lepton flavour. The zero mass of the neutrinos in the SM is in conflict with the experimentally observed neutrino oscillations. The standard model has to be extended to include massive neutrinos.
The easiest way to explain the neutrino mass is to assume that they acquire masses in the same way as the rest of the SM fermions: in the Higgs mechanism. This way however leads to problems with the naturality of the neutrino Yukawa coupling. One of the most popular methods of generating the neutrino mass is the so called seesaw mechanism (type-I). The standard model, extended with the neutrino masses, allows the charged lepton flavour to be violated. This leads to unobservably small transition rates however. Therefore an observation of charged lepton flavour violating process would be a clear evidence of the existence of new physics beyond the standard model and it's trivial extensions. To have hope of ever observing charged lepton flavour violating processes, there must be an extension of the standard model which produces observable, though small, rates for CLFV processes.
One of the most popular extensions of the standard model is the so called minimal supersymmetric standard model (MSSM). The neutrinos are massless in the MSSM, as they are in SM, and therefore CLFV processes are forbidden in the MSSM. Luckily the neutrino masses can be generated via seesaw mechanism in the MSSM as well as in the SM. The MSSM contains more potential sources for CLFV processes than the SM. The extra sources are the soft mass parameters of the sleptons. In supersymmetric models the sleptons couple to the leptons through the slepton-lepton-gaugino-vertices. These generate the CLFV processes at the loop-level.
Often the off-diagonal soft terms are assumed zero in the MSSM at the input scale, where the supersymmetry breaks. Experiments are done at much lower electroweak scale. The soft SUSY-breaking terms acquire large radiative corrections as they are run from the input scale down to the electroweak scale. Here the seesaw mechanism kicks in. The seesaw mechanism brings with it the off-diagonal neutrino Yukawa coupling matrices. This allows the off-diagonal slepton mass terms to evolve non-zero at the electroweak scale.
In this thesis the charged lepton flavour violation is discussed first in the context of the standard model. Then the CLFV processes, l_i → (l_j γ), l_i → (l_j l_k l_l) and l_i ↔ l_j, are studied in the most general way: in the effective theories. Finally the charged lepton flavour violation is studied in the supersymmetric theories in general and more specifically in the minimal supersymmetric standard model extended with the seesaw mechanism (type-I).
Varatuilla leptoneilla, joita ovat elektroni, myoni ja tau, ei ole koskaan havaittu makua rikkovia reaktioita. Niiden olemassaolo on kuitenkin odotettavissa, sillä maku rikkoutuu kaikilla muilla hiukkasfysiikan standardimallin (SM) fermioneilla. Standardimalli pitää neutriinoja massattomina, mikä kieltää neutriinojen maun sekoittumisen ja siten myös varattujen leptonien maun rikkoutumisen. Tämä on kuitenkin ristiriidassa havaittujen neutriino-oskillaatioiden kanssa. Standardimallia täytyy siis laajentaa sisältämään neutriinojen massat.
Helpoin tapa selittää neutriinojen massa on olettaa, että se syntyy samalla tavalla kuin muidenkin standardimallin fermionien massat: Higgsin mekanismissa. Tämä tapa kuitenkin johtaa ongelmiin neutriinon Yukawa-kytkennän luonnollisuuden kanssa. Eräs suosituimmista tavoista generoida neutriinojen massat luonnollisesti on niin sanottu seesaw-mekanismi (tyyppi-I). Standardimalli, jota on laajennettu neutriinojen massoilla, mahdollistaa varattujen leptonien maun rikkoutumisen. Tämä johtaa kuitenkin havaitsemattoman pieniin todennäköisyyksiin varattujen leptonien makua rikkoville reaktioille. Havainto varattujen leptonien makua rikkovasta reaktiosta olisi selvä todiste standardimallin ja sen triviaalien laajennuksien ulkopuolisesta fysiikasta. Jotta olisi toivoa varattujen leptonien makua rikkovien reaktioiden havaitsemisesta, on oltava olemassa standardimallin laajennus, joka tuottaa havaittavissa olevat, vaikkakin pienet, todennäköisyydet varattujen leptonien makua rikkoville reaktioille.
Eräs suosituimmista standardimallin laajennuksista on niin sanottu minimaalinen supersymmetrinen standardimalli (MSSM). MSSM:ssa neutriinot ovat massattomia, niin kuin standardimallissakin ja näin ollen varattujen leptonien makua rikkovat reaktiot ovat kiellettyjä. Onneksi neutriinojen massat voidaan generoida myös MSSM:ssa seesaw-mekanismilla. MSSM sisältää useampia lähteitä varattujen leptonien maun rikkoutumiselle kuin SM. Ylimääräisiä lähteitä standardimalliin nähden ovat leptonien skalaaripartnerien, sleptonien, pehmeät massatermit.
Supersymmetrisissä malleissa sleptonit kytkeytyvät leptoneihin sleptoni-leptoni-gaugino-verteksien avulla. Nämä aiheuttavat säteilykorjauksissa varattujen leptonien makua rikkovat reaktiot. Yleensä epädiagonaaliset pehmeät massatermit oletetaan MSSM:ssa nolliksi sillä korkealla energiaskaalalla, jossa supersymmetria rikkoutuu. Ihmiset tekevät mittauksia kuitenkin huomattavasti pienemmällä sähköheikolla energiaskaalalla. Pehmeät massaparametrit saavat siis huomattavia radiatiivisia korjauksia, kun ne juoksutetaan supersymmetrian rikkoutumisskaalalta sähkö-heikolle skaalalle. Tässä seesaw-mekanismi (tyyppi-I) astuu mukaan. Seesaw-mekanismi tuo mukanaan neutriinon Yukawa-kytkentämatriisin, joka sisältää epädiagonaalisia alkioita. Nämä alkiot mahdollistavat sen, että sleptonien pehmeiden massatermien epädiagonaaliset termit kehittyvät nollasta poikkeaviksi, kun niitä ajetaan renormali-saatioryhmällä sähköheikolle skaalalle.
Tässä tutkielmassa käsitellään ensin varattujen leptonien maun rikkoutumista standardimallissa. Sitten varattujen leptonien makua rikkovia reaktioita, l_i → (l_j γ), l_i → (l_j l_k l_l) ja l_i ↔ l_j, tutkitaan yleisimmällä mahdollisella tavalla efektiivisissä teorioissa. Lopuksi varattujen leptonien maun rikkoutumista käsitellään supersymmetrisissä teorioissa yleisesti ja tarkemmin seesaw-mekanismilla laajennetussa minimaalisessa supersymmetrisessä standardimallissa.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| gradu_plus_kiitokset_painoon.pdf | 1.086Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4011]