[論文レビュー] Experimental Constraints on Higgs Boson Decays to TeV-scale Right-Handed Neutrinos

Michael L. Graesser|arXiv (Cornell University)|May 15, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、TeVスケールの右手型ニュートリノへのヒッグスボソンの崩壊を、高次元オペレーターを介して調べており、2つの非局所的頂点を伴う6粒子最終状態へのカスケード崩壊を予測する。各頂点はレプトン数の破れを示す。トレーラー加速器からの実験的制約によれば、短い崩壊長（≤5 cm）および1に近いBrが既に除外されているが、より長い崩壊長は未制約のままであるが、現在の検出可能範囲内にある。

ABSTRACT

The existence of neutrino masses strongly suggests that right-handed neutrinos exist, but the data do not favor any particular scale for the Majorana mass parameters. Here I explore the possibility that these particles exist at the electroweak scale along with additional new physics at the TeV scale . Higher dimension operators involving right-handed neutrinos and the Higgs boson can introduce new decay modes of the Higgs boson, significantly modifying its phenomenology if it is light. With minimal flavor violation the Higgs boson cascade decays to 6 particles containing two highly displaced vertices. Each displaced vertex produces an odd number of leptons, leading to a dramatic signature of overall lepton violation at each vertex. I discuss the limits from the Tevatron, and find that they are close to exploring interesting regions of parameters, while limiting others. Moving beyond minimal flavor violation, cascade decays of the Higgs boson into as many as 14 particles can occur.

研究の動機と目的

• 高次元オペレーターがTeVスケールの新しい物理によって誘導される場合、ヒッグスボソンの右手型ニュートリノへの崩壊の効果的現象論を調査すること。
• 特に非局所的頂点とレプトン数の破れを通じて、このような崩壊がトレーラー加速器で検出可能かどうかを評価すること。
• レプトンやクォークを含むさまざまな最終状態への右手型ニュートリノ崩壊のモデルに依存しないBrを導出すること。
• 既存のトレーラー加速器の探索が、このシナリオのパrameter空間をどの程度制約できるかを評価すること。
• 特に長い崩壊長を含む、現在および将来の加速器実験でまだ検出可能なパラメータ空間の領域を同定すること。

提案手法

• TeVスケールの新しい物理によって誘導される、ヒッグスボソンと右手型ニュートリノを含む高次元オペレーターをモデル化するために有効場理論を用いる。
• フェルミ定数と結合定数を用いて、右手型ニュートリノのレプトン対、クォーク対、ニュートリノ最終状態へのモデルに依存しないBrを導出する。
• Fierz変換を適用し、電荷をもつおよびもたないカレントの崩壊における振幅と量子干渉効果を計算する。
• 公式 $ \Gamma = \frac{G_F^2 M^5}{192\pi^3} |D_{JI}|^2 \times \text{kinematic factors} $ を用いて、右手型ニュートリノが電荷をもつレプトン、ニュートリノ、クォークを含む最終状態に崩壊する幅を評価する。
• 特にオンシェル領域において、有限なWおよびZボソン幅の崩壊率への影響を検討する。
• レプトン多重度が高く、2つの非局所的頂点を伴う署名に注目し、トレーラー加速器の運動量的到達範囲を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高次元オペレーターがTeVスケールで誘導される場合、ヒッグスボソンの右手型ニュートリノへの主要な崩壊モードは何か？
• RQ2 長寿命の右手型ニュートリノが生じる非局所的頂点は、ヒッグスカスケード崩壊においてどのようにレプトン数の破れの署名を生じるか？
• RQ3 レプトンやクォークを含むさまざまな最終状態への右手型ニュートリノ崩壊のモデルに依存しないBrは何か？
• RQ4 既存のトレーラー加速器探索は、TeVスケールの右手型ニュートリノへのヒッグス崩壊のパrameter空間をどの程度制約できるか？
• RQ5 特に長い崩壊長を含むパラメータ空間のどの領域が、まだ実験的に検出可能か？

主な発見

• トレーラー加速器の探索は、平均崩壊長が2–5 cmでBrが1に近い右手法ニュートリノへのヒッグス崩壊を既に制約しており、このような崩壊はおそらく副次的であると考えられる。
• 10 cmを超える崩壊長は、トレーラー加速器のデータではまだ制約を受けていないが、この領域の生成率は現在の検出限界に近い。
• ヒッグスボソンは2つの非局所的頂点を介して6粒子最終状態にカスケード崩壊し、各頂点が奇数個のレプトンを生成することで、全体としてのレプトン数の破れが生じる。
• 電荷をもつレプトン対とニュートリノへの右手法ニュートリノの崩壊幅は、電荷をもつおよびもたないカレント振幅の量子干渉によって増幅され、30 GeVでは約10%、50 GeVでは約50%増加する。
• $ N_I \to l_J^- l_J^+ \nu_J $ の全崩壊率は、干渉を考慮した低エネルギー極限で0.59に比例するが、これは非干渉和の1.07よりも顕著に小さい。
• 同じフレーバーのレプトンへの右手法ニュートリノ崩壊は干渉によって抑制されるが、異なるフレーバーのレプトンおよびクォークへの崩壊は、$ (g_L^{(K)})^2 + (g_R^{(K)})^2 $ の組み合わせによって支配され、Br分布に影響を与える。