[論文レビュー] Heavy Neutral Leptons and displaced vertices at LHC

Xabier Marcano|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける重い中性レプトン（HNL）の発見可能性を再評価し、特に、フレーバー依存の結合があるため、$W$、$Z$、ヒッグスボソン媒介の過程を含むすべての生成過程を考慮することが重要であることを強調する。フレーバーに依存しない軽いニュートリノを介した生成が、パラメータ空間全体を網羅的に探査するために不可欠であり、HNL質量が数GeV程度のとき、$|V_{\ell N}| \sim 10^{-7}$ という極めて小さな混合角に対しても感度を発揮できることを示している。

ABSTRACT

Heavy neutral leptons are present in many well-motivated beyond the Standard Model theories, sometimes being accessible at present colliders. Depending on their masses and couplings they could be long-lived and lead to events with displaced vertices, and thus to promising signatures due to low Standard Model background. We revisit the potential of the LHC to discover this kind of new particles via searches for displaced vertices, which can probe masses of few GeV for mixings currently allowed by experimental constraints. We also discuss the importance of considering all the possible production channels, including the production in association with light neutrinos, in order to fully explore this region of the parameter space.

研究の動機と目的

• 質量が数GeV程度で、現在の実験的制約と整合する混合角を持つ重い中性レプトン（HNL）に対するLHCの感度を評価すること。
• 標準模型のバックグラウンドが低く、高い発見感度を示す、ずれた頂点（DV）シグネチャの発見可能性を評価すること。
• HNLの生成と崩壊におけるフレーバー構造の影響を調査し、特に$W$媒介と$Z$/$H$媒介のチャネルを比較すること。
• フレーバーに依存しない生成、特に関連する軽いニュートリノを介した生成が、HNLパラメータ空間全体を網羅的に探査するために不可欠であることを示すこと。
• 単一、二重、またはデモクラティックなフレーバー混合の各状況におけるDV探索の感度を定量化すること。

提案手法

• 3+1モデルを用い、3つのアクティブなニュートリノと1つのステアーリングHNLを含み、HNL質量$m_N$と混合パラメータ$V_{\ell N}$を自由パラメータとして扱う。
• 全崩壊幅$\Gamma_N \propto G_F^2 m_N^5 \sum_{\ell} |V_{\ell N}|^2$を計算し、HNLの崩壊長を特定することで、ずれた頂点シグネチャの可能性を評価する。
• $pp \to \ell N$（チャージドレプトン関連）および$pp \to \nu N$（ニュートリノ関連）の生成断面積を評価し、$p_T > 25$ GeVおよび$|\eta| < 2.5$の運動量カットを適用する。
• 3つのベンチマークシナリオ（単一フレーバー混合（$V_{eN}$のみ）、二重フレーバー混合（$|V_{eN}| = |V_{\mu N}|$）、デモクラティックな三フレーバー混合）における発見領域を比較する。
• 13 TeVのLHCで$\mathcal{L} = 300~\text{fb}^{-1}$の下で、モンテカルロシミュレーションを用いてDVイベント数を推定し、100および10,000イベントの等高線を描画する。
• $W$媒介と$Z$/$H$媒介の生成の相補性を分析し、後者がフレーバーに依存せず、パラメータ空間全体のカバレッジに優れていることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の制約と整合する質量が数GeV程度で混合角が小さいHNLに対して、LHCのずれた頂点探索はどの程度の感度を持つのか？
• RQ2 HNL混合のフレーバー構造（$V_{\ell N}$）は、$W$媒介と$Z$/$H$媒介の生成チャネルにおける発見可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 なぜ関連する軽いニュートリノ生成を介したフレーバーに依存しない生成が、HNLパラメータ空間全体を網羅的に探査するために不可欠なのか？
• RQ4 単一、二重、またはデモクラティックな混合パターンの違いが、観測可能なずれた頂点イベント数にどのように影響を与えるか？
• RQ5 $pp \to \ell N$および$pp \to \nu N$のチャネルを併用することで、HNLパラメータ空間全体を完全にカバーできるか？

主な発見

• 13 TeVのLHCで$\mathcal{L} = 300~\text{fb}^{-1}$の下で、HNL質量が数GeV程度のとき、$|V_{\ell N}| \sim 10^{-7}$ という極めて小さな混合角に対してもLHCが感度を発揮できることを示している。
• $pp \to \ell N$チャネルはフレーバー構造に強く依存する。複数のフレーバーに混合が分散すると、全幅が増加するが、生成断面積は特定の$|V_{\ell N}|$に依存するため、感度が著しく低下する。
• $pp \to \nu N$チャネルはフレーバーに依存しない。生成断面積と全幅の両方が同じ組み合わせ$\sum |V_{\ell N}|^2$に依存するため、すべての混合状況で同じイベント数が得られる。
• 特に$pp \to \nu N$生成を介したずれた頂点探索は、HNLのフレーバーに依存しないため、パラメータ空間全体を網羅的にカバーできる強力な手法である。
• $W$媒介チャネルは単一フレーバー混合の場合は最も感度が高くなるが、混合が複数のフレーバーに分散すると感度が著しく低下する。
• フレーバーに依存しない$pp \to \nu N$生成は、$W$媒介チャネルにおけるフレーバーの希釈による感度低下を回避するため、相補的なカバレッジを実現するために不可欠である。