[論文レビュー] Fourth Generation Lepton Sectors with Stable Majorana Neutrinos: From LEP to LHC

Linda M. Carpenter|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、安定したメジャナネーター型ニュートリノを有する第四世代レプトン系を検討し、Zボソンの非可視幅からのLEP制約を再分析するとともに、4レプトン＋運動量欠損エネルギーの最終状態におけるLHC探索戦略を提案する。Z崩壊の混合効果に起因する抑制を考慮した結果、最も軽いメジャナネーター型ニュートリノ質量の下限は33.5 GeVに緩和される。13 TeVのLHCデータ30 fb⁻¹を用いることで、質量平面上でN₁に対して100–180 GeV、N₂に対して150–250 GeVの領域が除外可能であると予測される。

ABSTRACT

I analyze a fourth generation lepton sector in which the lightest particle is a stable Majorana neutrino. In this scenario fourth generation neutrinos have both a Dirac and Majorana mass, resulting in two Majorana neutrino mass eigenstates. A reanalysis of LEP's lower mass bound is performed on stable Majorana neutrinos from the Z width and the lower mass bound is loosened. I also extrapolate LEP's SUSY squark search with a 2 jet plus missing missing energy final state to the production and decay of a pair of heavy Majorana neutrinos; here it is expected that significant regions of the neutrino mass plane may be ruled out. Finally, a search strategy is proposed for heavy fourth generation neutrino pairs at LHC in the four lepton plus missing energy channel. Exclusions are set in the neutrino mass plane for 30 inverse fb of data at LHC for 13 TeV.

研究の動機と目的

• 最新のZボソン非可視幅制約を用いて、第四世代レプトン系における安定したメジャナネーター型ニュートリノの質量下限を再評価すること。
• LEPのSUSYスキュアーブクの探索手法（2ジェット＋運動量欠損エネルギーチャンネル）が、重いメジャナネーター型ニュートリノ対の制約にどの程度応用可能かを検討すること。
• 重いメジャナネーター型ニュートリノ対の質量平面を探索するため、LHCにおける4レプトン＋運動量欠損エネルギー最終状態への新しい探索戦略を提案すること。
• 現実的な実験的カットとバックグラウンド推定を用いて、LHCが第四世代ニュートリノ対をどの程度感度よく探査できるかを定量すること。

提案手法

• ニュートリノ混合角に起因するZ結合の混合効果による抑制を考慮し、安定したメジャナネーター型ニュートリノに対する非可視Z幅制約を再計算した。
• SUSYスキュアーブク探索の2ジェット＋運動量欠損エネルギー探索を、重いメジャナネーター型ニュートリノ対の生成および崩壊の制約に適応した。
• MADGRAPHを用いた信号生成、BRIDGEを用いた崩壊シミュレーション、PYTHIAを用いたシャワリングを組み合わせた、4ℓ + Eₜ̸最終状態における感度解析を提案した。
• 運動量カットを適用：4つの分離したレプトン、最もエネルギーの高いレプトンでpT > 15 GeV、他のレプトンでpT > 5 GeV、Eₜ̸ > 50 GeV、およびジェットバイト（N_jet < 2）。
• N₁–N₂質量平面上における信号受容率と生成断面積を推定し、ZZおよびγZ過程からのバックグラウンド推定を実施した。
• 観測された信号効率とバックグラウンド抑制率を用いて95%信頼水準での除外限界を生成した。特に高いEₜ̸カットのおかげで、非常に高い効果が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第四世代ニュートリノにディラック質量とメジャナネーター質量が共存する場合、Zボソンの非可視幅にどのような影響を与え、結果として最も軽いメジャナネーター型ニュートリノ質量の下限にどのような変化をもたらすか？
• RQ2 LEPのSUSYスキーューク探索（2ジェット＋運動量欠損エネルギー）が、第四世代における重いメジャナネーター型ニュートリノ対の制約にどの程度再利用可能か？
• RQ3 LHCにおける4レプトン＋運動量欠損エネルギー最終状態は、重いメジャナネーター型ニュートリノ対の発見に実用的で、バックグラウンドが抑制されたチャンネルとして有効か？
• RQ4 30 fb⁻¹の13 TeV LHCデータを用いて、提案された4ℓ + Eₜ̸探索戦略により、95%信頼水準でN₁およびN₂のどの質量範囲が除外可能か？

主な発見

• Z結合の混合効果による抑制を考慮した結果、2つのメジャナネーター型ニュートリノ質量固有状態が存在するため、最も軽いメジャナネーター型ニュートリノ質量の下限は39.5 GeVから33.5 GeVに緩和された。
• 2ジェット＋運動量欠損エネルギー最終状態は、特に重いニュートリノN₂がダイレクトに生成される領域（オンシェル生成）において、N₁–N₂質量平面を制約するのに有効である。
• 4レプトン＋運動量欠損エネルギー最終状態は非常に低いバックグラウンドを示し、ZZおよびγZシミュレーションではイベントが検出されなかった。これは信号検出に非常に適したチャンネルであることを示している。
• 30 fb⁻¹の13 TeV LHCデータを用いることで、提案された探索戦略により、N₁質量は100–180 GeV、N₂質量は150–250 GeVの領域が95%信頼水準で除外可能である。
• 信号効率は、N₂がN₁よりも著しく重い場合にピークに達し、N₂質量が運動量的閾値に近づくにつれて低下する。これは、最終状態のレプトンがやや弱くなるためである。
• 本研究は、最も軽いニュートリノが安定している場合、第四世代の荷電レプトンの検出が困難であることを強調している。これは、W + N₁最終状態がQCDおよびW＋ジェットバックグラウンドに埋もれてしまうためである。