[論文レビュー] Hadron Collider Tests of Neutrino Mass-Generating Mechanisms

Richard Ruíz|D-Scholarship@Pitt (University of Pittsburgh)|Sep 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 85被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける同一符号の二レプトン最終状態を用いたレプトン数破れ信号を用いて、重いメジャナネーター中性レプトンおよび $W^\prime$ ゲージボソンの発見可能性を調査する。$W^\prime \to N\ell^\pm$ 衰えにおけるスピン相関が、$W^\prime$ のカイラルカップリングおよび $N$ のメジャナネーター性質を明確に特定可能であり、90 fb$^{-1}$ の統合 luminosity において $M_{W^\prime} = 3$ TeV の場合に 5$\sigma$ の信号が期待される。

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics (SM) is presently the best description of nature at small distances and high energies. However, with tiny but nonzero neutrino masses, a Higgs boson mass unstable under radiative corrections, and little guidance on understanding the hierarchy of fermion masses, the SM remains an unsatisfactory description of nature. Well-motivated scenarios that resolve these issues exist but also predict extended gauge (e.g., Left-Right Symmetric Models), scalar (e.g., Supersymmetry), and/or fermion sectors (e.g., Seesaw Models). Hence, discovering such new states would have far-reaching implications. After reviewing basic tenets of the SM and collider physics, several beyond the SM (BSM) scenarios that alleviate these shortcomings are investigated. Emphasis is placed on the production of a heavy Majorana neutrinos at hadron colliders in the context of low-energy, effective theories that simultaneously explain the origin of neutrino masses and their smallness compared to other elementary fermions, the so-called Seesaw Mechanisms. As probes of new physics, rare top quark decays to Higgs bosons in the context of the SM, the Types I and II Two Higgs Doublet Model (2HDM), and the semi-model independent framework of Effective Field Theory (EFT) have also been investigated. Observation prospects and discovery potentials of these models at current and future collider experiments are quantified.

研究の動機と目的

• レプトン数破れ信号を用いて、LHCにおける重いメジャナネーター中性レプトン（$N$）および $W^\prime$ ゲージボソンの発見可能性を評価すること。
• $W^\prime \to N\ell^\pm$ 衰えにおけるスピン相関が、$W^\prime$ のレプトンおよびクォークへのカイラルカップリングを区別できるかどうかを特定すること。
• 同一符号および異符号二レプトン最終状態の運動量分布を用いて、$N$ のメジャナネーター性質とディラックフェルミオンを区別すること。
• 14 TeVおよび100 TeVのLHCエネルギーにおける $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 最終状態の信号選択とバックグラウンド抑制を最適化すること。
• ニュートリノ質量生成のコライダー理論的側面を通じて、標準模型を超える新しい物理をモデルに依存しない枠組みで探査するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 現在の実験的制限から制約を受けるモデルに依存しない有効場理論（EFT）フレームワークで $W^\prime$ および $N$ のカップリングをモデル化すること。
• ハドロンコライダーにおけるDrell-Yanおよび光子初期状態プロセスを通じた $W^\prime$ および $N$ の生成の部分子レベルでの断面積を計算すること。
• $N$ の崩壊生成物を再構築し、$\ell^\pm\ell^\pm jj$ 最終状態を分離するために、運動量カットおよび検出器のスメアリングを適用すること。
• $N$ の静止系における極座標角および生成と崩壊面の間の方位角角を用いて、$W^\prime$ のカイラルカップリングを調べること。
• 現実的な検出器条件下での理論的予測と再構築された分布を比較するためにモンテカルロシミュレーションを実施すること。
• $M_{W^\prime} = 3$ TeVおよび$4$ TeVの状況において、90 fb$^{-1}$および1 ab$^{-1}$の統合 luminosity における $5\sigma$ 信号の有意水準を用いて統計的有意性および発見可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $N$ の静止系における最終状態レプトンの角度分布から、$W^\prime$ のレプトンへのカイラルカップリングを特定できるか？
• RQ2 生成と崩壊面の間の方位角相関を用いて、$W^\prime$ の初期状態クォークへのカイラルカップリングをプローブできるか？
• RQ3 スピン相関による影響で、同一符号および異符号二レプトン最終状態の運動量分布はどのように異なり、それらがメジャナネーター $N$ とディラックフェルミオンを区別できるか？
• RQ4 14 TeVのLHCにおいて、$M_{W^\prime} = 3$ TeVの $W^\prime_{R}$ を $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 最終状態を通じて5$\sigma$ 発見するのに必要な統合 luminosity はどの程度か？
• RQ5 ハドロンコライダーにおける $N$ の総生成断面積に、$\gamma$ 初期状態プロセスを含めるとどう影響するか？

主な発見

• 14 TeVのLHCにおいて、90 fb$^{-1}$ の統合 luminosity を用いれば、$M_{W^\prime} = 3$ TeVの $W^\prime_{R}$ に対して5$\sigma$ の信号が達成可能であり、$M_{W^\prime} = 4$ TeVでは1 ab$^{-1}$ で同様の信号が得られる。
• $N$ の静止系における最終状態レプトンの極座標角分布は、スピン相関により $L$ 守恒と $L$ 破れの状況で符号反転を示し、$W^\prime$ のカイラルカップリングの特定が可能になる。
• 生成と崩壊面の間の方位角分布は、$W^\prime$ の初期状態クォークへのカイラルカップリングに敏感であり、$W^\prime$ カップリングの直接的プローブとなる。
• $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 最終状態の総断面積は電荷共役変換に対して不変であり、同一符号と異符号最終状態の差が、主に角度相関に起因することを確認する。
• 同一符号および異符号二レプトン最終状態の運動量分布は相補的であり、メジャナネーター中性レプトンの崩壊におけるヘリシティ反転効果により、逆の傾きを示す。
• $N$ に大きな右巻き成分がある場合、$W^\prime_{R}$ と $N$ のカップリングが支配的となり、$W^\prime_{L}$ と比較して信号率が顕著に増加する。