1932
0
  1. Home
  2. A-Z Publications
  3. Annual Review of Nuclear and Particle Science
  4. Volume 72, 2022
  5. Article

Annual Review of Nuclear and Particle Science

Volume 72, 2022

Testing Lepton Flavor Universality with Pion, Kaon, Tau, and Beta Decays

Abstract

We present an overview of searches for violation of lepton flavor universality with a focus on low energy precision probes using π, , τ, and nuclear beta decays. We review the current experimental results, summarize the theoretical status within the context of the Standard Model, and discuss future prospects (both experimental and theoretical). We review the implications of these measurements for physics beyond the Standard Model by performing a global model-independent fit to modified couplings to leptons and four-fermion operators. We also discuss new physics in the context of simplified models and review Standard Model extensions with a focus on those that can explain a possible deviation from unitarity of the Cabibbo–Kobayashi–Maskawa quark mixing matrix.

Keyword(s): beta decays, Cabibbo angle anomaly, CKM unitarity, flavor anomalies, K decays, lepton flavor universality violation, new physics, Standard Model, π decays, τ decays
Loading

Article metrics loading...

/content/journals/10.1146/annurev-nucl-110121-051223
2022-09-26
2024-04-19
Loading full text...

Full text loading...

/deliver/fulltext/nucl/72/1/annurev-nucl-110121-051223.html?itemId=/content/journals/10.1146/annurev-nucl-110121-051223&mimeType=html&fmt=ahah

Literature Cited

  1. 1. 
    Aad G et al. Phys. Lett. B 716:1 2012.)
  2. 2. 
    Chatrchyan S et al. Phys. Lett. B 716:30 2012.)
  3. 3. 
    Zyla PA et al. Prog. Theor. Exp. Phys. 2020:083C01 2020.)
  4. 4. 
    Crivellin A, Hoferichter M. Science 374:1051 2021.)
  5. 5. 
    Buddenbrock S et al. J. High Energy Phys. 10:157 2019.)
  6. 6. 
    Crivellin A et al. arXiv:2109.02650 [hep-ph]; 2021.)
  7. 7. 
    Fischer O et al. arXiv:2109.06065 [hep-ph]; 2021.)
  8. 8. 
    Lees JP et al. Phys. Rev. Lett. 109:101802 2012.)
  9. 9. 
    Aaij R et al. Phys. Rev. D 97:072013 2018.)
  10. 10. 
    Abdesselam A et al. arXiv:1904.08794 [hep-ex]; 2019.)
  11. 11. 
    Aaij R et al. J. High Energy Phys. 08:055 2017.)
  12. 12. 
    Aaij R et al. Phys. Rev. Lett. 122:191801 2019.)
  13. 13. 
    Aaij R et al. arXiv:2103.11769 [hep-ex]; 2021.)
  14. 14. 
    Amhis YS et al. Eur. Phys. J. C 81:226 2021.)
  15. 15. 
    Murgui C, Peñuelas A, Jung M, Pich A. J. High Energy Phys. 09:103 2019.)
  16. 16. 
    Shi RX et al. J. High Energy Phys. 12:065 2019.)
  17. 17. 
    Blanke M et al. Phys. Rev. D 99:075006 2019.). Addendum. Phys. Rev. D 100:035035 2019.)
  18. 18. 
    Kumbhakar S, Alok AK, Kumar D, Sankar SU. Proc. Sci EPS-HEP2019:272 2020.)
  19. 19. 
    Algueró M et al. Eur. Phys. J. C 79:714 2019.). Addendum. Eur. Phys. J. C 80:511 2020.)
  20. 20. 
    Aebischer J et al. Eur. Phys. J. C 80:252 2020.)
  21. 21. 
    Ciuchini M et al. Eur. Phys. J. C 79:719 2019.)
  22. 22. 
    Arbey A et al. Phys. Rev. D 100:015045 2019.)
  23. 23. 
    Feruglio F, Paradisi P, Pattori A. Phys. Rev. Lett. 118:011801 2017.)
  24. 24. 
    Bennett GW et al. Phys. Rev. D 73:072003 2006.)
  25. 25. 
    Abi B et al. Phys. Rev. Lett. 126:141801 2021.)
  26. 26. 
    Aoyama T et al. Phys. Rep. 887:1 2020.)
  27. 27. 
    Bobeth C et al. arXiv:2104.02094 [hep-ph]; 2021.)
  28. 28. 
    Carvunis A, Crivellin A, Guadagnoli D, Gangal S. arXiv:2106.09610 [hep-ph]; 2021.)
  29. 29. 
    Sirunyan AM et al. J. High Energy Phys. 07:208 2021.)
  30. 30. 
    Coutinho AM, Crivellin A, Manzari CA. Phys. Rev. Lett. 125:071802 2020.)
  31. 31. 
    Crivellin A, Hoferichter M. Phys. Rev. Lett. 125:111801 2020.)
  32. 32. 
    Crivellin A, Kirk F, Manzari CA, Montull M. J. High Energy Phys. 12:166 2020.)
  33. 33. 
    Capdevila B, Crivellin A, Manzari CA, Montull M. Phys. Rev. D 103:015032 2021.)
  34. 34. 
    Crivellin A, Manzari CA, Montull M. arXiv:2103.12003 [hep-ph]; 2021.)
  35. 35. 
    Bryman DA, Shrock R. Phys. Rev. D 100:073011 2019.)
  36. 36. 
    de Gouvêa A, Kobach A. Phys. Rev. D 93:033005 2016.)
  37. 37. 
    Cortina Gil E et al. Phys. Lett. B 807:135599 2020.)
  38. 38. 
    Cortina Gil E et al. Phys. Lett. B 816:136259 2021.)
  39. 39. 
    Lessa AP, Peres OLG. Phys. Rev. D 75:094001 2007.)
  40. 40. 
    Altmannshofer W, Gori S, Robinson DJ. Phys. Rev. D 101:075002 2020.)
  41. 41. 
    Elahi F, Elor G, McGehee R. arXiv:2109.09751 [hep-ph]; 2021.)
  42. 42. 
    Aguilar-Arevalo A et al. Phys. Rev. D 97:072012 2018.)
  43. 43. 
    Aguilar-Arevalo A et al. Phys. Lett. B 798:134980 2019.)
  44. 44. 
    Bryman DA, Ito S, Shrock R. Phys. Rev. D 104:075032 2021.)
  45. 45. 
    Marciano WJ, Sirlin A. Phys. Rev. Lett. 71:3629 1993.)
  46. 46. 
    Finkemeier M. Phys. Lett. B 387:391 1996.)
  47. 47. 
    Cirigliano V, Rosell I. Phys. Rev. Lett. 99:231801 2007.)
  48. 48. 
    Cirigliano V, Rosell I. J. High Energy Phys. 10:005 2007.)
  49. 49. 
    Campbell BA, Maybury DW. Nucl. Phys. B 709:419 2005.)
  50. 50. 
    Weinberg S. Physica A 96:327 1979.)
  51. 51. 
    Gasser J, Leutwyler H. Ann. Phys. 158:142 1984.)
  52. 52. 
    Gasser J, Leutwyler H. Nucl. Phys. B 250:465 1985.)
  53. 53. 
    Knecht M, Neufeld H, Rupertsberger H, Talavera P. Eur. Phys. J. C 12:469 2000.)
  54. 54. 
    Kinoshita T. Phys. Rev. Lett. 2:477 1959.)
  55. 55. 
    Bijnens J, Ecker G, Gasser J. Nucl. Phys. B 396:81 1993.)
  56. 56. 
    Bryman D, Marciano WJ, Tschirhart R, Yamanaka T. Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 61:331 2011.)
  57. 57. 
    Aguilar-Arevalo A et al. Phys. Rev. Lett. 115:071801 2015.)
  58. 58. 
    Bryman DA et al. Phys. Rev. D 33:1211 1986.)
  59. 59. 
    Britton DI et al. Phys. Rev. D 49:28 1994.)
  60. 60. 
    Czapek G et al. Phys. Rev. Lett. 70:17 1993.)
  61. 61. 
    Lazzeroni C et al. Phys. Lett. B 719:326 2013.)
  62. 62. 
    Ambrosino F et al. Eur. Phys. J. C 64:627 2009.). Erratum. Eur. Phys. J. 65:703 2010.)
  63. 63. 
    Antonelli M et al. Phys. Rep. 494:197 2010.)
  64. 64. 
    Cirigliano V et al. Eur. Phys. J. C 23:121 2002.)
  65. 65. 
    Cirigliano V, Neufeld H, Pichl H. Eur. Phys. J. C 35:53 2004.)
  66. 66. 
    Cirigliano V, Giannotti M, Neufeld H. J. High Energy Phys. 11:006 2008.)
  67. 67. 
    Seng CY, Galviz D, Gorchtein M, Meißner UG. Phys. Lett. B 820:136522 2021.)
  68. 68. 
    Moulson M. Proc. Sci. CKM2016:033 2017.)
  69. 69. 
    Seng CY, Galviz D, Marciano WJ, Meißner UG. arXiv:2107.14708 [hep-ph]; 2021.)
  70. 70. 
    Glattauer R et al. Phys. Rev. D 93:032006 2016.)
  71. 71. 
    Abdesselam A et al. arXiv:1702.01521 [hep-ex]; 2017.)
  72. 72. 
    Waheed E et al. Phys. Rev. D 100:052007 2019.). Erratum. Phys. Rev. D 103:079901 2021.)
  73. 73. 
    Cabibbo N. Phys. Rev. Lett. 10:531 1963.)
  74. 74. 
    Kobayashi M, Maskawa T. Prog. Theor. Phys. 49:652 1973.)
  75. 75. 
    Buchmuller W, Wyler D. Nucl. Phys. B 268:621 1986.)
  76. 76. 
    Cirigliano V, Jenkins J, González-Alonso M. Nucl. Phys. B 830:95 2010.)
  77. 77. 
    Bauman S, Erler J, Ramsey-Musolf M. Phys. Rev. D 87:035012 2013.)
  78. 78. 
    Hardy JC, Towner IS. Phys. Rev. C 102:045501 2020.)
  79. 79. 
    Seng CY, Gorchtein M, Patel HH, Ramsey-Musolf MJ. Phys. Rev. Lett. 121:241804 2018.)
  80. 80. 
    Czarnecki A, Marciano WJ, Sirlin A. Phys. Rev. D 100:073008 2019.)
  81. 81. 
    Towner IS. Nucl. Phys. A 540:478 1992.)
  82. 82. 
    Seng CY, Gorchtein M, Ramsey-Musolf MJ. Phys. Rev. D 100:013001 2019.)
  83. 83. 
    Gorchtein M. Phys. Rev. Lett. 123:042503 2019.)
  84. 84. 
    Gonzalez FM et al. Phys. Rev. Lett. 127:162501 2021.)
  85. 85. 
    Märkisch B et al. Phys. Rev. Lett. 122:242501 2019.)
  86. 86. 
    Dubbers D, Märkisch B. arXiv:2106.02345 [nucl-ex]; 2021.)
  87. 87. 
    Falkowski A, González-Alonso M, Naviliat-Cuncic O. J. High Energy Phys. 04:126 2021.)
  88. 88. 
    Cirigliano V et al. arXiv:2112.02087 [hep-ph]; 2021.)
  89. 89. 
    Cirigliano V et al. arXiv:1907.02164 [nucl-ex]; 2019.)
  90. 90. 
    Marciano WJ. Phys. Rev. Lett. 93:231803 2004.)
  91. 91. 
    Antonelli M et al. Eur. Phys. J. C 69:399 2010.)
  92. 92. 
    Aoki S et al. Eur. Phys. J. C 80:113 2020.)
  93. 93. 
    Czarnecki A, Marciano WJ, Sirlin A. Phys. Rev. D 101:091301 2020.)
  94. 94. 
    Amhis YS et al. Eur. Phys. J. C 81:226 2021.)
  95. 95. 
    Pich A. Prog. Part. Nucl. Phys. 75:41 2014.)
  96. 96. 
    Aubert B et al. Phys. Rev. Lett. 105:051602 2010.)
  97. 97. 
    Anastassov A et al. Phys. Rev. D 55:2559 1997.). Erratum. Phys. Rev. D 58:119904 1998.)
  98. 98. 
    Amhis YS et al. Eur. Phys. J. C 81:226 2021.)
  99. 99. 
    Arroyo-Ureña MA et al. arXiv:2107.04603 [hep-ph]; 2021.)
  100. 100. 
    Tishchenko V et al. Phys. Rev. D 87:052003 2013.)
  101. 101. 
    Marciano WJ. Phys. Rev. D 60:093006 1999.)
  102. 102. 
    Crivellin A, Hoferichter M, Manzari CA. Phys. Rev. Lett. 127:071801 2021.)
  103. 103. 
    Antonelli M et al. arXiv:0801.1817 [hep-ph]; 2008.)
  104. 104. 
    Grzadkowski B, Iskrzynski M, Misiak M, Rosiek J. J. High Energy Phys. 10:085 2010.)
  105. 105. 
    Schael S et al. Phys. Rep. 427:257 2006.)
  106. 106. 
    Schael S et al. Phys. Rep. 532:119 2013.)
  107. 107. 
    Eichten E, Hinchliffe I, Lane KD, Quigg C. Rev. Mod. Phys. 56:579 1984.). Addendum. Rev. Mod. Phys. 58:1065 1986.)
  108. 108. 
    Eichten E, Lane KD, Peskin ME. Phys. Rev. Lett. 50:811 1983.)
  109. 109. 
    Aad G et al. J. High Energy Phys. 11:005 2020.). Erratum. J. High Energy Phys. 04:142 2021.)
  110. 110. 
    Greljo A, Marzocca D. Eur. Phys. J. C 77:548 2017.)
  111. 111. 
    de Blas J, Criado JC, Perez-Victoria M, Santiago J. J. High Energy Phys. 03:109 2018.)
  112. 112. 
    Kirk M. Phys. Rev. D 103:035004 2021.)
  113. 113. 
    Weinberg S. Phys. Rev. 130:776 1963.)
  114. 114. 
    Susskind L. Phys. Rev. D 20:2619 1979.)
  115. 115. 
    Randall L, Sundrum R. Phys. Rev. Lett. 83:3370 1999.)
  116. 116. 
    Malkawi E, Tait TMP, Yuan CP. Phys. Lett. B 385:304 1996.)
  117. 117. 
    Hsieh K, Schmitz K, Yu JH, Yuan CP. Phys. Rev. D 82:035011 2010.)
  118. 118. 
    Lee BW, Shrock RE. Phys. Rev. D 16:1444 1977.)
  119. 119. 
    del Aguila F, de Blas J, Perez-Victoria M. Phys. Rev. D 78:013010 2008.)
  120. 120. 
    Hewett JL, Rizzo TG. Phys. Rep. 183:193 1989.)
  121. 121. 
    Langacker P. Phys. Rep. 72:185 1981.)
  122. 122. 
    del Aguila F, Bowick MJ. Nucl. Phys. B 224:107 1983.)
  123. 123. 
    Antoniadis I. Phys. Lett. B 246:377 1990.)
  124. 124. 
    Arkani-Hamed N, Dimopoulos S, March-Russell J. Phys. Rev. D 63:064020 2001.)
  125. 125. 
    Csàki C. 2004. Theoretical Advanced Study Institute in Elementary Particle Physics (TASI 2002): Particle Physics and Cosmology: The Quest for Physics Beyond the Standard Model(s) HE Haber, AE Nelson 605 Singapore: World Sci.
     [Google Scholar]
  126. 126. 
    Arkani-Hamed N, Cohen AG, Georgi H. Phys. Lett. B 513:232 2001.)
  127. 127. 
    Arkani-Hamed N, Cohen AG, Katz E, Nelson AE. J. High Energy Phys. 07:034 2002.)
  128. 128. 
    Perelstein M. Prog. Part. Nucl. Phys. 58:247 2007.)
  129. 129. 
    del Aguila F, Carmona A, Santiago J. J. High Energy Phys. 08:127 2010.)
  130. 130. 
    Carmona A, Goertz F. J. High Energy Phys. 04:163 2013.)
  131. 131. 
    Minkowski P. Phys. Lett. B 67:421 1977.)
  132. 132. 
    Foot R, Lew H, He XG, Joshi GC. Z. Phys. C 44:441 1989.)
  133. 133. 
    Crivellin A, Kirk F, Manzari CA, Panizzi L. Phys. Rev. D 103:073002 2021.)
  134. 134. 
    Felkl T, Herrero-Garcia J, Schmidt MA. J. High Energy Phys. 05:122 2021.)
  135. 135. 
    Marzocca D, Trifinopoulos S. Phys. Rev. Lett. 127:061803 2021.)
  136. 136. 
    Zee A. Nucl. Phys. B 264:99 1986.)
  137. 137. 
    Babu KS. Phys. Lett. B 203:132 1988.)
  138. 138. 
    Krauss LM, Nasri S, Trodden M. Phys. Rev. D 67:085002 2003.)
  139. 139. 
    Nebot M, Oliver JF, Palao D, Santamaria A. Phys. Rev. D 77:093013 2008.)
  140. 140. 
    Cai Y, Clarke JD, Schmidt MA, Volkas RR. J. High Energy Phys. 02:161 2015.)
  141. 141. 
    Cheung K, Seto O. Phys. Rev. D 69:113009 2004.)
  142. 142. 
    Ahriche A, Nasri S, Soualah R. Phys. Rev. D 89:095010 2014.)
  143. 143. 
    Chen CS, McDonald KL, Nasri S. Phys. Lett. B 734:388 2014.)
  144. 144. 
    Ahriche A, McDonald KL, Nasri S. J. High Energy Phys. 02:038 2016.)
  145. 145. 
    Herrero-Garcia J, Nebot M, Rius N, Santamaria A. Nucl. Phys. B 885:542 2014.)
  146. 146. 
    Herrero-García J, Ohlsson T, Riad S, Wirén J. J. High Energy Phys. 04:130 2017.)
  147. 147. 
    Centelles Chuliá S, Srivastava R, Valle JWF Phys. Lett. B 781:122 2018.)
  148. 148. 
    Babu KS, Dev PSB, Jana S, Thapa A J. High Energy Phys. 03:006 2020.)
  149. 149. 
    Konetschny W, Kummer W. Phys. Lett. B 70:433 1977.)
  150. 150. 
    Magg M, Wetterich C. Phys. Lett. B 94:61 1980.)
  151. 151. 
    Schechter J, Valle JWF. Phys. Rev. D 22:2227 1980.)
  152. 152. 
    Cheng TP, Li LF. Phys. Rev. D 22:2860 1980.)
  153. 153. 
    Mohapatra RN, Senjanovic G. Phys. Rev. D 23:165 1981.)
  154. 154. 
    Weinberg S. Phys. Rev. Lett. 43:1566 1979.)
  155. 155. 
    Buras AJ et al. J. High Energy Phys. 06:068 2021.)
  156. 156. 
    Langacker P, Plumacher M. Phys. Rev. D 62:013006 2000.)
  157. 157. 
    Buchmuller W, Ruckl R, Wyler D. Phys. Lett. B 191:442 1987.). Erratum. Phys. Lett. B 448:320 1999.)
  158. 158. 
    Crivellin A, Müller D, Schnell L. Phys. Rev. D 103:115023 2021.)
  159. 159. 
    Crivellin A et al. arXiv:2107.13569 [hep-ph]; 2021.)
  160. 160. 
    Pati JC, Salam A. Phys. Rev. D 10:275 1974.). Erratum. Phys. Rev. D 11:703 1975.)
  161. 161. 
    Georgi H, Glashow SL. Phys. Rev. Lett. 32:438 1974.)
  162. 162. 
    Dimopoulos S, Raby S, Susskind L. Nucl. Phys. B 173:208 1980.)
  163. 163. 
    Barbier R et al. Phys. Rep. 420:1 2005.)
  164. 164. 
    Davidson S, Bailey DC, Campbell BA. Z. Phys. C 61:613 1994.)
  165. 165. 
    Ramsey-Musolf MJ, Su S, Tulin S. Phys. Rev. D 76:095017 2007.)
  166. 166. 
    Doršner I et al. Phys. Rep. 641:1 2016.)
  167. 167. 
    Mandal R, Pich A. J. High Energy Phys. 12:089 2019.)
  168. 168. 
    Crivellin A, Kokulu A, Greub C. Phys. Rev. D 87:094031 2013.)
  169. 169. 
    Masiero A, Paradisi P, Petronzio R. Phys. Rev. D 74:011701 2006.)
  170. 170. 
    Girrbach J, Nierste U. arXiv:1202.4906 [hep-ph]; 2012.)
  171. 171. 
    Krawczyk M, Temes D. Eur. Phys. J. C 44:435 2005.)
  172. 172. 
    Broggio A et al. J. High Energy Phys. 11:058 2014.)
  173. 173. 
    Chun EJ, Kim J. J. High Energy Phys. 07:110 2016.)
  174. 174. 
    Aguilar-Arevalo A et al. Phys. Rev. Lett. 115:071801 2015.)
  175. 175. 
    Aguilar-Arevalo A et al. Nucl. Instrum. Methods A 621:188 2010.)
  176. 176. 
    Glaser CJ et al. arXiv:1812.00782 [hep-ex]; 2018.)
  177. 177. 
    Pocanic D, Frlez E, van der Schaaf A. J. Phys. G 41:114002 2014.)
  178. 178. 
    PIONEER Collab Paper presented at SNOWMASS LOI Discussion, online. Sept. 11 (2020)
  179. 179. 
    Sadrozinski HFW, Seiden A, Cartiglia N. Rep. Prog. Phys. 81:026101 2018.)
  180. 180. 
    Pocanic D et al. Phys. Rev. Lett. 93:181803 2004.)
  181. 181. 
    Sirlin A. Rev. Mod. Phys. 50:573 1978.). Erratum. Rev. Mod. Phys. 50:905 1978.)
  182. 182. 
    Cirigliano V, Knecht M, Neufeld H, Pichl H. Eur. Phys. J. C 27:255 2003.)
  183. 183. 
    Passera M, Philippides K, Sirlin A. Phys. Rev. D 84:094030 2011.)
  184. 184. 
    Feng X et al. Phys. Rev. Lett. 124:192002 2020.)
  185. 185. 
    Kohl M. 2016. Physics with Neutral Kaon Beam at JLab Workshop191 Newport News, VA: Jefferson Lab.
  186. 186. 
    Cortina Gil E et al. J. High Energy Phys. 11:042 2020.)
  187. 187. 
    Abe T et al. arXiv:1011.0352 [physics.ins-det]; 2010.)
  188. 188. 
    Altmannshofer W et al. Prog. Theor. Exp. Phys. 2019:123C01 2019.). Erratum. Prog. Theor. Exp. Phys. 2020:029201 2020.)
  189. 189. 
    Abada A et al. Eur. Phys. J. Spec. Top. 228:261 2019.)
  190. 190. 
    Dam M. Eur. Phys. J. Plus 136:963 2021.)
  191. 191. 
    Dong M et al. arXiv:1811.10545 [hep-ex]; 2018.)
  192. 192. 
    Di Carlo M et al. Phys. Rev. D 100:034514 2019.)
/content/journals/10.1146/annurev-nucl-110121-051223
Loading
Testing Lepton Flavor Universality with Pion, Kaon, Tau, and Beta Decays
Annual Review of Nuclear and Particle Science 72, 69 (2022); https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-110121-051223
/content/journals/10.1146/annurev-nucl-110121-051223
/content/journals/10.1146/annurev-nucl-110121-051223
Loading

Data & Media loading...

  • Article Type: Review Article

Most Cited Most Cited RSS feed

This is a required field
Please enter a valid email address
Approval was a Success
Invalid data
An Error Occurred
Approval was partially successful, following selected items could not be processed due to error