[論文レビュー] Disambiguating Seesaw Models using Invariant Mass Variables at Hadron Colliders

P. S. Bhupal Dev, Doojin Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、陽子衝突加速器における同じ電荷の二重レプトンと二重ジェットの最終状態を用いて、2つのTeVスケールの見せかけのニュートリノ模型（標準模型に単一スピンニュートリノを追加したモデルと左対称モデル）を区別するための運動量端点解析を提案している。不変質量変数を用いることで、運動量端点の異なるトポロジー的関係を特定し、新規共鳴状態の直接質量測定とモデル同定を可能にする。モンテカルロシミュレーションにより検出器効果を組み込み、将来の14 TeVおよび100 TeV加速器への応用を想定した検証が行われた。

ABSTRACT

We propose ways to distinguish between different mechanisms behind the collider signals of TeV-scale seesaw models for neutrino masses using kinematic endpoints of invariant mass variables. We particularly focus on two classes of such models widely discussed in literature: (i) Standard Model extended by the addition of singlet neutrinos and (ii) Left-Right Symmetric Models. Relevant scenarios involving the same "smoking-gun" collider signature of dilepton plus dijet with no missing transverse energy differ from one another by their event topology, resulting in distinctive relationships among the kinematic endpoints to be used for discerning them at hadron colliders. These kinematic endpoints are readily translated to the mass parameters of the on-shell particles through simple analytic expressions which can be used for measuring the masses of the new particles. A Monte Carlo simulation with detector effects is conducted to test the viability of the proposed strategy in a realistic environment. Finally, we discuss the future prospects of testing these scenarios at the $\sqrt s=14$ and 100 TeV hadron colliders.

研究の動機と目的

• 同じ衝突シグネチャー（ℓ⁺ℓ⁺jj もしくは ℓ⁻ℓ⁻jj）を示す2つの代表的なTeVスケールの見せかけのニュートリノ模型（標準模型に単一スピンニュートリノを追加したモデルと左対称モデル）を区別すること。
• 同一の最終状態であるにもかかわらず、モデルを区別するための特徴的な運動量端点パターンを特定すること。
• 運動量端点から導かれる解析的式を用いて、新規粒子の質量を一般化可能な方法で測定すること。
• 検出器効果を含むモンテカルロシミュレーションを用いて、現実の検出器環境下での手法の妥当性を検証すること。
• 将来の高エネルギー陽子衝突加速器（14 TeVおよび100 TeV）における、この手法の発見能力を予測すること。

提案手法

• 同じ電荷の二重レプトンと二重ジェットを伴うイベントにおける不変質量変数（例：mℓℓ、mℓj、mℓℓj）の運動量端点を分析する。
• すべての最終状態粒子が1つのオンシェル親粒子から生成され、運動量欠損が原因となる見えない粒子は存在しないと仮定する。
• 関係する共鳴状態の質量比に基づいて、運動量端点の解析的式を導出する。これにより、WRや重ニュートリノなどのオンシェル共鳴状態の質量を直接抽出可能となる。
• 手法は、標準模型に単一スピンニュートリノを追加したモデルと左対称モデルという2つのベンチマークモデルに適用され、それぞれ異なる端点パターンを示す。
• 現実の条件下での手法の頑健性を検証するため、検出器効果を含むモンテカルロシミュレーションを実施した。
• 将来の加速器エネルギー（14 TeVおよび100 TeV）への応用を拡張し、それぞれ最大5.5 TeVおよび32 TeVまでの重いゲージボソン（WR）の感度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じℓ⁺ℓ⁺jjまたはℓ⁻ℓ⁻jjの衝突シグネチャーを示すにもかかわらず、不変質量変数を用いることで、標準模型に単一スピンニュートリノを追加したモデルと左対称モデルを一意に区別できるか？
• RQ2 それぞれの見せかけのニュートリノ模型に特徴的な運動量端点の関係は何か？また、イベントのトポロジーにおいてどのように異なるか？
• RQ3 現実の検出器環境下で、運動量端点を用いて新規の重い共鳴状態（例：WR、重ニュートリノ）の質量をどの程度正確に測定できるか？
• RQ4 将来の陽子衝突加速器（√s = 14 TeVおよび100 TeV）における、これらのモデルの発見能力はどの程度か？
• RQ5 現実のシミュレーション環境下で、検出器効果およびバックグラウンド汚染に対して、この手法はどの程度頑健か？

主な発見

• 同じ最終状態シグネチャーであっても、運動量端点間の異なる関係性に基づき、2つの見せかけのニュートリノ模型を明確に区別できることが確認された。
• mℓℓ、mℓj、mℓℓjの運動量端点は、それぞれのモデルで特徴的なパターンを示し、端点比を用いた手法によりモデル同定が可能となった。
• 端点の解析的式により、WRや重ニュートリノなどのオンシェル共鳴状態の質量を直接測定可能となった。
• モンテカルロシミュレーションにより、検出器効果を含む現実環境下でも、端点構造の分解能が維持されることを確認した。
• √s = 14 TeV、300 fb⁻¹の条件では、WRボソンの質量を約5.5 TeVまで探査可能である。√s = 100 TeV、1 ab⁻¹の条件では、その範囲は約32 TeVまで拡張される。
• この手法は、ニュートリノ質量の起源を解明し、ゼロニュートリノ双ベータ崩壊やレプトン数非保存過程といった関連観測量を制約する強力なツールを提供する。