[論文レビュー] Heavy neutrino-antineutrino oscillations at colliders

Stefan Antusch, Eros Cazzato+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、重いニュートリノと反ニュートリノの混合（レプトン数の破れとメジャナ型ニュートリノ質量の兆候）が、重いニュートリノが長寿命で一次頂点からずれて崩壊する場合、ハイ・リタリティティ LHC や将来のコライダーで観測可能であると提唱している。この観測は、ニュートリノのメジャナ性を直接証明し、低スケールでのニュートリノ質量生成メカニズムに関する洞察を提供する。

ABSTRACT

Heavy neutrino-antineutrino oscillations can naturally appear in mechanisms of low scale neutrino mass generation, where pairs of heavy neutrinos have almost degenerate masses. We discuss the case where the heavy neutrinos are sufficiently long-lived to decay displaced from the primary vertex, such that the oscillations of the heavy neutrinos into antineutrinos can potentially be observed at the (high-luminosity) LHC and at currently planned future collider experiments. The observation of these oscillations would have far-reaching consequences: it would, for instance, prove the existence of lepton number violation and the Majorana nature of neutrino masses, and it would allow a deep insight into the nature of the neutrino mass generation mechanism.

研究の動機と目的

• 長寿命でほぼ degenerate（縮退）した質量を持つ重いニュートリノが、コライダーでニュートリノと反ニュートリノ状態の間で混合を示すかどうかを調査すること。
• ハイ・リタリティティ LHC や計画中の将来のコライダー実験で、こうした混合を観測可能かどうかを評価すること。
• こうした観測が、レプトン数の破れとニュートリノ質量のメジャナ性を明確に証明する根拠となることの確立。
• ずれた重いニュートリノ崩壊の実験的性質を、低スケールでのニュートリノ質量生成メカニズムに結びつけること。

提案手法

• ほぼ degenerate（縮退）した質量を持つ重いニュートリノ系をモデル化し、ニュートリノと反ニュートリノ状態間の混合を可能にする。
• コライダー過程で生成された長寿命の重いニュートリノの運動学的性質と崩壊トポロジーを分析する。
• ニュートリノ-反ニュートリノ混合に起因するずれた崩壊頂点の検出可能性を評価する。
• 高エネルギーのコライダー環境における重いメジャナフェルミオンに、ニュートリノ混合理論の理論的枠組みを適用する。
• 同符号のディレプトン事象やずれた頂点といったコライダーの特徴を用いて、混合信号を特定する。
• 現在および将来のコライダー実験が、こうした混合効果に対してどの程度感度を持つのかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重いニュートリノが長寿命で一次頂点からずれて崩壊する場合、ハイ・リタリティティ LHC でニュートリノ-反ニュートリノ混合が観測可能か？
• RQ2 こうした混合から生じるコライダーの特徴は何か？ そして、バックグラウンドプロセスからどの程度区別可能か？
• RQ3 こうした混合が、レプトン数の破れとニュートリノ質量のメジャナ性をどの程度効果的にプローブするか？
• RQ4 混合のダイナミクスは、重いメジャナ型ニュートリノを含む低スケールニュートリノ質量生成メカニズムとどのように関連しているか？
• RQ5 将来のコライダー実験が、こうした混合を検出するための感度限界は何か？

主な発見

• 重いニュートリノ-反ニュートリノ混合は、ニュートリノが十分に長寿命でずれた頂点で崩壊する場合、ハイ・リタリティティ LHC や将来のコライダーで観測可能である。
• こうした混合の観測は、レプトン数の破れを直接証明し、ニュートリノ質量のメジャナ性を確認する根拠となる。
• この混合メカニズムは、ほぼ degenerate（縮退）した重いニュートリノ対を含む低スケールニュートリノ質量生成モデルにおいて自然に実現される。
• 同符号のディレプトン最終状態を含むずれた頂点の特徴は、こうした混合の検出に特徴的なシグナルを提供する。
• こうした混合の検出は、ニュートリノ質量生成の根本的メカニズムに関する深い洞察を提供する。
• 本研究は、コライダーを用いたニュートリノ混合現象を通じて、標準模型を越える物理学を探索する実用的な実験的道筋を確立した。