[論文レビュー] Alternative signatures of the quintuplet fermions at the LHC and future linear colliders

Nilanjana Kumar, Vandana Sahdev|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 77被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、小粒度ニュートリノ質量、ダークマター、ミュオン(g-2)の異常を説明できる可能性のある、Exoticなフェルミオンであるクintupletフェルミオンの代替コライダー探索戦略を提案する。これは、これらのフェルミオンがより重いスカラー粒子を通じて崩壊する場合の非標準的で特徴的な署名を考慮したものである。LHCでは、3000 fb⁻¹の統合断面積と14 TeVの中心系エネルギーのもとで、質量が≤980 GeVの二重電荷を帯びたクインタプレットフェルミオンの5σ発見が可能である。e⁺e⁻コライダーでは、1000 fb⁻¹の統合断面積と700 GeV未満の質量のもとで、単一電荷を帯びたフェルミオンの5σ発見が可能である。

ABSTRACT

Large fermionic multiplets appear in different extensions of the Standard Model (SM), which are essential to predict small neutrino masses, relic abundance of the dark matter (DM) and the measured value of muon anomalous magnetic moment (muon (g-2)). Models containing quintuplet of fermions ($\Sigma$), along with other scalar multiplets, can address recent anomalies in the flavor sector while satisfying the constraints from the electroweak physics. In standard scenarios, the exotic fermions couple with the SM particles directly and there exists a strong limit on their masses from collider experiments such as the Large Hadron Collider (LHC). In this paper, we choose a particular scenario where the quintuplet fermions are heavier than the scalars, which is naturally motivated from the muon (g-2) data. A unique nature of these models is that they predict non-standard signatures at the colliders as the quintuplet fermions decay via the scalars once produced at the colliders. We study these non-standard interactions and provide alternative search strategies for these exotic fermions at the LHC and future linear colliders (such as $e^+e^-$ colliders). We also discuss their exclusion and discovery limits. For the doubly charged quintuplet fermion ($\Sigma^{\pm\pm}$), discovery is possible with 5$\sigma$ significance at integrated luminosity of 3000 fb$^{-1}$ at 14 TeV LHC if $M_\Sigma\leq 980$ GeV. For the singly charged quintuplet fermion ($\Sigma^\pm$), the discovery is challenging at LHC but there might be a possibility of 5 $\sigma$ discovery with 1000 fb$^{-1}$ luminosity at $e^+e^-$ collider for $M_\Sigma\leq 700$ GeV.

研究の動機と目的

• クインタプレットフェルミオンが直接標準模型（SM）粒子に崩壊するのではなく、より重いスカラー粒子を通じて崩壊する場合の非標準的コライダー署名を調査すること。
• 質量階層のため直接崩壊チャネルが抑制される状況において、これらのExoticフェルミオンを検出する課題に対処すること。
• LHCおよび将来のe⁺e⁻線形コライダーにおける実用的な探索戦略を提案し、発見に適したクリアな環境と高い精度を活用すること。
• 現実的な統合断面積およびエネルギー条件のもとで、単一および二重電荷を帯びたクインタプレットフェルミオンの発見および除外限界を評価すること。
• 将来の線形コライダー（γγおよびe⁻γモードを含む）が、これらのExotic状態をプローブする可能性を示すこと。

提案手法

• μミュオン(g-2)データに裏付けられた、フェルミオンクインタプレット（Σ）とスカラー多重項（Φ, Φ̃）を含むモデルを採用。フェルミオンクインタプレットはスカラー粒子よりも重い。
• 非標準的崩壊チェーンを分析：Σ±± → Σ± ± → ℓ±ℓ± + ジェット、またはℓ± + ジェット（最終状態に応じて）。中間のスカラー粒子の崩壊に起因。
• LHC（ppコライダー）およびe⁺e⁻コライダーにおける信号およびバックグラウンド解析を、モンテカルロシミュレーションおよびイベント再構築技術を用いて実施。
• 統計的有意度（S/√B）および期待される信号対バックグラウンド比を用いて発見および除外限界を計算。5σを発見の閾値とする。
• e⁺e⁻、γγ、およびe⁻γコライダーにおける生成断面積を計算。特に、複数のレプトンおよびジェットを含む最終状態に注目。
• 中心系エネルギーおよびフェルミオン質量の関数としての、ℓ⁺ℓ⁻jjの不変質量分布および断面積を含む運動学的分布を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クインタプレットフェルミオンが直接SM粒子に崩壊するのではなく、より重いスカラー粒子を通じて崩壊する場合、コライダーにおける支配的署名は何か？
• RQ2 異なる統合断面積およびエネルギー条件のもとで、LHCとe⁺e⁻コライダーにおける二重電荷を帯びたクインタプレットフェルミオンの発見可能性はどのように比較できるか？
• RQ3 LHCが高バックグラウンドのため検出に失敗した場合、e⁺e⁻コライダーが単一電荷を帯びたクインタプレットフェルミオンの有効な発見チャネルを提供できるか？
• RQ4 将来の線形コライダーにおける、単一および二重電荷を帯びたクインタプレットフェルミオンの5σ発見に必要な統合断面積は何か？
• RQ5 光子コライダー・モード（γγ、e⁻γ）は、これらのExoticフェルミオンの生成断面積および発見限界をどのように向上させるか？

主な発見

• 二重電荷を帯びたクインタプレットフェルミオン（Σ±±）については、14 TeVの中心系エネルギーと3000 fb⁻¹の統合断面積のもとで、LHCで質量が≤980 GeVの範囲で5σ発見が可能である。
• 同じ統合断面積およびエネルギー条件のもとで、LHCはΣ±±の存在を1.2 TeVまで除外できる。
• 単一電荷を帯びたクインタプレットフェルミオン（Σ±）については、LHCでは高バックグラウンドのため5σ発見が困難であるが、1000 fb⁻¹の統合断面積と700 GeV未満の質量のもとでe⁺e⁻コライダーで発見が可能である。
• e⁺e⁻コライダー解析のチャネル（A）は優れた発見可能性を示し、MΣ ≤700 GeVの範囲で20 fb⁻¹未満の統合断面積で5σ発見が可能である。
• e⁺e⁻コライダーのチャネル（B）では、95%の除外限界が100 fb⁻¹未満の統合断面積で達成可能であり、高い感度を示している。
• e⁺e⁻コライダーにおけるΣ±±の生成断面積は、中心系エネルギー1–1.5 TeV付近でピークに達し、MΣ = 600 GeVのとき約0.5 pbに達する。