[論文レビュー] Majorana Neutrino and $W_{R}$ at TeV scale $ep$ Colliders

Ü. Kaya, M. Ö. Sahin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、標準模型の左対称拡張における重いメジャナネーター型ニュートリノ（$N_e$）および右巻き$W_R$ボソンの将来のTeVスケールep衝突機における発見可能性を調査する。$N_e$のメジャナネーター性に起因するバックグラウンドレスな過程$e^{-}p \to e^{+}X$を用いて、線形加速器-LHCおよび線形加速器-FCCを基盤とするep衝突機が、ILC や CLIC などの$e^+e^-$衝突機と比較して、はるかに高い$N_e$および$W_R$質量を探索可能であることを示している。

ABSTRACT

Production of heavy Majorana neutrino $N_{e}$ predicted by left-right symmetric extension of the Standard Model at future { ormalsize TeV} scale $ep$ colliders have been considered. In order to estimate potential of $ep$ colliders for $N_{e}$ search we consider back-groundless process $e^{-}p ightarrow e^{+}X$ which is consequence of Majorana nature of $N_{e}$. It is shown that { ormalsize linac-LHC} and { ormalsize linac-FCC} based $ep$ colliders will cover much wider regions of $N_{e}$ and $W_{R}$ masses than corresponding linear electron-positron colliders.

研究の動機と目的

• 左対称モデルによって予言される重いメジャナネーター型ニュートリノ（$N_e$）および右巻き$W_R$ボソンの将来のep衝突機における発見可能性を評価すること。
• $N_e$のメジャナネーター性に起因するバックグラウンドレスな過程$e^{-}p \to e^{+}X$を通じて、$ep$衝突機の$N_e$に対する感度を評価すること。
• $N_e$および$W_R$質量の探索に向けた$ep$衝突機、$pp$衝突機、$e^+e^-$衝突機の物理的探索範囲を比較すること。
• TeVスケールでの$N_e$および$W_R$への感度を最大化するための最適な衝突機構成（特に線形加速器-LHCおよび線形加速器-FCCを基盤とするep衝突機）を特定すること。

提案手法

• 本研究では、標準模型の左対称拡張を理論的枠組みとして、$SU_L(2) \times SU_R(2) \times U(1)_{B-L}$モデルを用いる。
• 中心系エネルギー（$\sqrt{s} = 1.3, 2.0, 4.0, 14.1$ TeV）のさまざまな条件下で、$m_{N_e}$および$m_{W_R}$の関数として$N_e$の生成断面積を、バックグラウンドレスな$e^{-}p \to e^{+}X$過程を用いて計算する。
• フェニマン図を用いて$W_R$交換を伴う断面積を計算し、$N_e$のメジャナネーター性を反映させるために$1/2$の係数を適用する。
• 統計的基準に従い、発見限界（$5\sigma$）と観測限界（$3\sigma$）を定義する。それぞれ25件および9件の期待事象に対応する。
• 提案された衝突機構成（例：ERL60-LHC、OPERL150-LHC、OPERL500-LHC、ERL60-FCC、FCC-e80など）のラミニリティおよび統合ラミニリティ値を用いて、$m_{N_e}$–$m_{W_R}$平面における感度を推定する。
• $pp$、$ep$、$e^+e^-$衝突機の比較分析を行い、$N_e$検出における運動学的およびラミニリティ的利点に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のTeVスケールep衝突機は、ILC や CLIC などの$e^+e^-$衝突機よりも重い$N_e$および$W_R$質量を探索可能か？
• RQ2 バックグラウンドレスな過程$e^{-}p \to e^{+}X$は、標準的シグネチャーよりもメジャナネーター型ニュートリノへの感度をどのように向上させるか？
• RQ3 線形加速器-LHCおよび線形加速器-FCCを基盤とするep衝突機と$pp$衝突機の間で、$N_e$および$W_R$の相対的発見探索範囲はどのように異なるか？
• RQ4 OPERL150-LHC、OPERL500-LHC、FCC-e80などの特定の衝突機構成は、$m_{N_e}$–$m_{W_R}$平面における$N_e$および$W_R$への感度をどのように向上させるか？
• RQ5 $m_{N_e}$が$e^+e^-$機器の運動学的限界を超える場合、どの質量範囲で$ep$衝突機が$pp$衝突機を上回るか？

主な発見

• 線形加速器-LHCおよび線形加速器-FCCを基盤とする$ep$衝突機は、ILC や CLIC などの$e^+e^-$衝突機と比較して、はるかに高い$N_e$および$W_R$質量を探索可能であり、それぞれの運動学的限界は$m_{N_e} < 0.5$ TeVおよび$m_{N_e} < 1.5$ TeVに制限される。
• 0.5 TeVの$N_e$質量および8 TeVの$W_R$質量の場合、ERL500-LHCオプションは$5\sigma$発見限界に達するが、LHC単体では$2\sigma$にも達しない。
• 2 TeVの$N_e$質量および27 TeVの$W_R$質量の場合、OPERL1000-FCCオプションは$3\sigma$観測レベルに達するが、FCC単体では$2\sigma$にも達しない。
• $e^{-}p \to e^{+}X$過程は、$N_e$のメジャナネーター性に起因してクリアでバックグラウンドレスなシグネチャーを提供し、$m_{N_e}$–$m_{W_R}$平面における高感度探索を可能にする。
• OPERL150-LHCおよびOPERL500-LHCオプションは、OPL60およびOPL140オプションと比較して、$m_{N_e}$–$m_{W_R}}$平面においてより広い領域をカバーする優れた感度を示す。
• FCCを基盤とする$ep$衝突機、特にOPERL1000-FCC構成は、高質量領域における$N_e$および$W_R$の発見可能性が向上し、$3\sigma$および$5\sigma$発見限界がそれぞれ$m_{N_e} \approx 2$ TeVおよび$m_{W_R} \approx 27$ TeVまで拡張される。