[論文レビュー] Perspectives to find heavy neutrinos with NA62

Marco Drewes, Jan Hajer+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2018

Neutrino Physics Research被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ニュートリノ振動データを用いて最小的タイプI逆せっかちモデルにおけるフレーバー混合パターンを制約する一方で、NA62のビームダンプモードにおける重い中性レプトン（HNLs）への感受性を評価している。NA62は現在、中間子とD中間子の間の質量領域におけるHNLに対して世界で最も感受性が高く、特にタウレプトンへの結合に応じて感受性が約2桁の違いを示すことが判明した。

ABSTRACT

The sensitivity of beam dump experiments to heavy neutrinos depends on the relative size of their mixings with the lepton flavours in the Standard Model. We study the impact of present neutrino oscillation data on these mixing angles in the minimal type I seesaw model. We find that current data significantly constrains the allowed heavy neutrino flavour mixing patterns. Based on this, we discuss the implications for the sensitivity of the NA62 experiment to heavy neutrinos when operated in the beam dump mode. We find that NA62 is currently the most sensitive experiment in the world for heavy neutrino masses between that of the kaon and the $D$-mesons. The sensitivity can vary by almost two orders of magnitude if the heavy neutrinos exclusively couple to the tau flavour, but depends only comparably weakly on the flavour mixing pattern within the parameter range preferred by light neutrino oscillation data.

研究の動機と目的

• NA62実験がビームダンプモードにおける重い中性レプトン（HNLs）への感受性を評価すること。
• 現在のニュートリノ振動データが、最小的タイプI逆せっかちモデルにおけるHNLのフレーバー混合パターンをどの程度制約できるかを特定すること。
• NA62の感受性が、標準模型レプトンフレーバー（e, μ, τ）へのHNL結合にどのように依存するかを評価すること。
• KAONとD中間子の間のHNL質量範囲において、NA62の予想される感受性を過去および将来の実験と比較すること。
• 特に軽いニュートリノ振動データからの制約を踏まえて、フレーバー混合パターンがHNL検出可能性に与える影響を定量化すること。

提案手法

• NA62のビームダンプ設定におけるHNL生成および崩壊運動学をモデル化するためにトロイ・モンテカルロシミュレーションを用いた。
• Pythia 6.4を用いて400 GeVプロトンビームが高Z標的に衝突する際のハドロンシャワーをシミュレートし、cおよびbハドロンがHNL生成に寄与する割合を特定した。
• 実際のNA62検出器幾何構造を用いて、HNL崩壊生成物の幾何的受容率を計算した。特に2本の荷電粒子を含む最終状態に注目した。
• 式 $ N_{\text{obs}} = \sum_{I} n_{N,I} \sum_{f,f'} \text{BR}(N_i \to f^+f'^-X) \mathcal{A}_i(f^+f'^-X, M_i, U^2_{e,\mu,\tau}) \varepsilon(f^+f'^-X, M_i) $ を用いてイベントレートを計算した。ここで $ \mathcal{A}_i $ は受容率、$ \varepsilon $ は検出効率を表す。
• 6つのシナリオ（A–F）を想定し、フレーバー混合パターンを変化させた上で、$ 10^{18} $ POTおよび背景が無視できるものと仮定して感受性を評価した。
• 軽いニュートリノ振動データによって制約される混合行列 $ \theta $ とHNL結合 $ U_{ai}^2 $ の関係を逆せっかち機構を用いて導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重い中性レプトンのフレーバー混合パターンは、ビームダンプモードにおけるNA62の感受性にどのように影響するか？
• RQ2 現在のニュートリノ振動データは、最小的逆せっかちモデルにおけるHNLの許容される混合パターンをどの程度制約できるか？
• RQ3 NA62は、中間子とD中間子の間の質量領域におけるHNLに対してどの程度の予想される感受性を有するか？また、過去および将来の実験と比較するとどうなるか？
• RQ4 タウレプトンへの結合強度に比べて、電子およびミューオンチャンネルへの感受性はどのように変化するか？
• RQ5 現在の振動データ制約のもとで、$ U_{ei}^2 $、$ U_{\mu i}^2 $、$ U_{\tau i}^2 $ の相対的な大きさがNA62の感受性に顕著に影響を及ぼすか？

主な発見

• NA62は現在、中間子とD中間子の間の質量領域における重い中性レプトンに対して世界で最も感受性が強い実験である。
• タウレプトンへの結合するHNLに対する感受性は、過去の実験と比較してほぼ2桁の改善が見込まれる。
• 電子またはミューオンへの結合するHNLについては、感受性の向上が約0.5桁程度にとどまる。
• 感受性は $ U_{\tau i}^2 / (U_{ei}^2 + U_{\mu i}^2) $ の比に強く依存するが、特に二ミューオン閾値を超える領域では $ U_{ei}^2 / U_{\mu i}^2 $ の比に弱く依存する。
• 軽いニュートリノ振動データからの制約により、$ U_{\tau i}^2 $ が大きな領域の許容パラメータ空間は著しく縮小され、特に好ましい領域では感受性がフレーバー混合パターンにほとんど依存しなくなる。
• SHiP、MATHUSLA、FASER、またはCODEX-bといった専用実験が稼働するまでは、NA62はこの質量範囲におけるHNL探索の最も強力なツールのままとなる見込みである。