[論文レビュー] Optimal search reach for heavy neutral leptons at a muon collider

Krzysztof Mȩkała, Jürgen Reuter+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、多テルバールボルト（multi-TeV）領域における重い中性レプトン（HNL）の探索において、陽子衝突機や電子・陽電子衝突機を凌駕する高いエネルギー、クリアな環境、および微小な混合パラメータに対する優れた感度を備えたミューオン衝突機が最適な探索範囲を提供することを示している。研究では、中心系エネルギーを超えるオフシェルHNL生成に対しても、ミューオン衝突機が他の加速器を上回ることを示しており、特にZボソンの極を越えた質量領域で顕著である。

ABSTRACT

Neutrinos are the most elusive particles known. Heavier sterile neutrinos mixing with the standard neutrinos might solve the mystery of the baryon asymmetry of the universe. In this letter, we show that among all future energy frontier accelerators, muon colliders will provide the farthest search reach for such neutrinos for mass ranges above the Z pole into the multi-TeV regime, becoming the optimal machine for this kind of studies. We compare the performance of muon with electron colliders of the same machine energy and briefly discuss the complementarity in flavor space between the two types of accelerators.

研究の動機と目的

• ミューオン衝突機が多テルバールボルト領域における重い中性レプトン（HNL）の発見可能性を評価すること。
• ミューオン衝突機と電子・陽電子衝突機、ハドロン衝突機の間でHNL探索に対する感度を比較すること。
• 中心系エネルギーを超える質量のHNL、特にオフシェル生成を含めた状況において、ミューオン衝突機の性能を評価すること。
• HNL結合の制約における、ミューオン衝突機と電子・陽電子衝突機のフレーバースペースにおける相補的役割を検討すること。

提案手法

• 本研究では、単一の重いディラックニュートリノ（N）と、標準模型レプトンすべてへの等しいカップリングを持つタイプIシー・スイッチメカニズムを用い、UFOフォーマットでのHeavyNモデルを採用した。
• イベント生成はWHIZARD 3.0.2を用い、パートンシャワイングおよびハドロン化にはPYTHIA 6を適用した。
• 検出器応答は、ミューオン衝突機に特化した検出器カードを用いてDELPHES 3.5.0でシミュレートした。
• 直接質量再構成を目的として、qqlνのモード（HNLがqqℓに崩壊）に注目した。
• tチャネルW交換（μ⁺μ⁻ → Nν）によるオンシェルおよびオフシェルHNL生成の断面積を計算し、ライブニティおよびエネルギースケーリングを適用した。
• 3 TeVおよび10 TeVのミューオン衝突機実験（それぞれ1 ab⁻¹および10 ab⁻¹の統合ライブニティ）における混合パラメータV²_lNの上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオン衝突機は、他の将来の衝突機と比較して、重い中性レプトンの最大質量探索範囲をどの程度達成できるか？
• RQ2 ミューオン衝突機のHNL探索に対する感度は、ILC や CLIC といった電子・陽電子衝突機と比べてどの程度か？
• RQ3 中心系エネルギーを超える質量でのHNL生成（オフシェル生成）に対しても、ミューオン衝突機はHNLを探索可能か？
• RQ4 ビーム偏光、ライブニティスペクトル、ビーム由来のバックグラウンドが、e+e−とμ+μ−衝突機間の感度比較に与える影響は何か？
• RQ5 ミューオン衝突機と電子・陽電子衝突機の連携は、HNL結合のフレーバースペース制約をどのように向上させるか？

主な発見

• 10 TeVで動作するミューオン衝突機が10 ab⁻¹の統合ライブニティを達成した場合、多テルバールボルト領域における重い中性レプトンの探索で最大の感度を示す。
• Zボソンの極を越えるHNL質量領域では、すべての将来のエネルギー先端衝突機の中で、ミューオン衝突機が最も広い発見探索範囲を提供する。
• 中心系エネルギーを超える質量でのオフシェルHNL生成に対しても、ミューオン衝突機はハドロン衝突機を上回り、e+e−機関よりも優れた感度を維持する。
• 3 TeVでは、CLIC（3 TeV、4 ab⁻¹）およびILC（1 TeV、3.2 ab⁻¹）の限界を、特に高質量領域で上回る。これは、ビーム由来のバックグラウンドが低減されており、より好都合なライブニティスペクトルがあるためである。
• 3 TeVにおけるCLICとミューオン衝突機の限界の差は、本質的な性能差ではなく、統合ライブニティ、ビーム偏光、ビームスペクトル効果の違いに起因する。
• 本研究は、HNLがオンシェルでない場合でも、微小な混合パラメータを通じて高スケールのUV完備化を探索するのにミューオン衝突機が最適であることを確認した。