[論文レビュー] Characterizing Heavy Neutral Fermions via their Decays

André de Gouvêa, Patrick J. Fox+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 90被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、重い中性フェルミオン（HNF）の三体崩壊を用いて、ディラックおよびマヨラナフェルミオン状態を区別する手法を提案する。運動量の非対称性とスピン極化効果を活用し、完全なイベント再構築が可能な場合、約70件の信号イベントで3σの信頼水準で二つのフェルミオン種別を区別可能であると示している。これは、将来の実験における発見後診断ツールとして強力な手法を提供する。

ABSTRACT

Many extensions of the Standard Model of particle physics contain new electrically-neutral fermions. Should one of these particles be discovered, questions will naturally arise regarding its nature. For instance: is it a self-conjugate particle (i.e., is it a Dirac or a Majorana fermion)?, does it interact via the Standard Model force carriers or something else? One set of well-motivated particles in this class are Heavy Neutral Leptons (HNLs), Standard Model gauge-singlet fermions that mix with the neutrinos and may be produced in meson decays. We demonstrate that measuring the three body decays of the HNL (or phenomenologically similar heavy fermions) can help determine whether they are Majorana or Dirac fermions. We also investigate the ability to distinguish among different models for the physics responsible for the HNL decay. We compare the reach assuming full and partial event reconstruction, and propose experimental analyses. Should a new fermion be discovered, studying its three body decays provides a powerful diagnostic tool of its nature.

研究の動機と目的

• 新しく発見された重い中性フェルミオンがディラック粒子かマヨラナ粒子かを特定するための発見後実験戦略を開発すること。
• レプトン数の破れが直接観測できない状況において、三体崩壊の運動量構造がフェルミオンの性質をどのように明らかにするかを調査すること。
• 完全な再構築と部分的再構築の両方におけるフェルミオン種別および結合構造の区別感度を比較すること。
• 時間投影 chamber と極化された源を用いた実験的解析のためのロードマップを提供すること。
• 現実的なイベント数を想定した状況で、モデルの区別能力を評価する統計的枠組み（非バッチング尤度比検定）を確立すること。

提案手法

• 相対論的運動量理論と崩壊振幅形式を用いて、ディラックおよびマヨラナフェルミオンの二体および三体崩壊をモデル化する。
• HNFの静止系における前後非対称性を、ディラック状態とマヨラナ状態を区別する主要な観測量として用いる。
• 仮想実験データに対して非バッチング尤度比解析を実施し、競合仮説（例：ディラック対マヨラナ、スカラー対ベクトル結合）を比較する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、既知の真の条件（例：HNF質量、結合定数、イベント数）のもとでモックデータを生成する。
• ネイマン＝ピアソンの補題を用いて、統計的基準（例：99.7%信頼水準で∆χ² = 25.26）を定義し、ある仮説がいつ除外可能かを判定する。
• 各フィットにおける最大値に対して結合パラメータを正規化することで、正規化の不確実性とは独立した区別能力を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトン数の破れが直接観測できない状況において、重い中性フェルミオンの三体崩壊が、ディラックとマヨラナのフェルミオン仮説を区別できるか？
• RQ2 イベント再構築の完全性（完全 vs. 部分的）が、ディラックとマヨラナフェルミオン状態の区別能力に与える影響は何か？
• RQ3 フェルミオンの性質が既知の場合、結合構造（スカラー／擬スカラー対ベクトル／軸性ベクトル）を特定できるか？
• RQ4 3σの信頼水準でディラックとマヨラナ仮説を区別するのに必要な最小信号イベント数は何か？
• RQ5 極化効果は、崩壊運動量構造における区別能力にどのように影響を与えるか？

主な発見

• スカラー／擬スカラー結合を持つ10 MeVの重い中性フェルミオンに対して、非バッチング尤度比検定を用いることで、約70件の期待信号イベントがあれば、3σの信頼水準でディラックとマヨラナ仮説を区別可能である。
• 三体崩壊における前後非対称性は、ディラックとマヨラナフェルミオンで本質的に異なるため、特に極化された源の場合に顕著な差が現れる主要な観測量である。
• 極化が失われても、スカラー結合フェルミオンはベクトル／テンソル結合フェルミオンと明確に区別可能であるが、逆は成り立たない。
• 尤度比検定フレームワークは高い区別能力を示し、スカラー／擬スカラー系においては、n₀ ≈ 70イベントで−log λの中央値が12.63（3σに対応）に達する。
• フェルミオンの性質が既知の場合、特に極化源を用いた完全なイベント再構築により、結合構造は高い信頼性で区別可能である。
• ニュートリノが検出不能であっても、電荷を有するレプトンおよびハドロンの運動量が測定されていれば、電荷識別と運動量再構築が可能であり、本手法は依然として有効である。