[論文レビュー] Phenomenology of the minimal B-L extension of the Standard Model

L. Basso, A. Belyaev+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、標準模型の最小限のU(1)_{B-L}拡張におけるLHCの発見可能性を調査し、Z′ゲージボソンと3つの重いメジャナネーター中性子に焦点を当てる。Z′が重い中性子に崩壊することで、はっきりとした多重レプトンの署名とずれた頂点を生じさせ、Z′と重い中性子の質量を同時に測定可能であり、シー・サウの機構を用いて軽い中性子の質量を推定可能であることを示している。

ABSTRACT

We present the Large Hadron Collider (LHC) discovery potential in the $Z'$ and heavy neutrino sectors of a $U(1)_{B-L}$ enlarged Standard Model also encompassing three heavy Majorana neutrinos. This model exhibits novel signatures at the LHC, the most interesting arising from a $Z'$ decay chain involving heavy neutrinos, eventually decaying into leptons and jets. In particular, this signature allows one to measure the $Z'$ and heavy neutrino masses involved. In addition, over a large region of parameter space, the heavy neutrinos are rather long-lived particles producing distinctive displaced vertices that can be seen in the detectors. Lastly, the simultaneous measurement of both the heavy neutrino mass and decay length enables an estimate of the absolute mass of the parent light neutrino. For completeness, we will also compare the LHC and a future Linear Collider (LC) discovery potentials.

研究の動機と目的

• LHCにおける標準模型の最小限のU(1)_{B-L}拡張におけるZ′および重いメジャナネーター中性子のセクターの発見可能性を調査すること。
• Z′が重い中性子に崩壊することによって生じる、特に多重レプトン最終状態に伴う遮断エネルギーおよびずれた頂点を伴う、特徴的な加速器の署名を特定すること。
• Z′および重い中性子の質量を同時に測定可能であり、シー・サウの機構を用いて軽い中性子の絶対質量を推定可能であることを可能にすること。
• LHCの発見領域と将来の線形衝突加速器（LC）の発見領域を比較すること、特にエネルギースキャンモードにおける比較。
• 遮断エネルギーおよびジェットを伴う多重レプトン最終状態における背景抑制の程度を評価し、質量再構成に横方向質量分布を用いる妥当性を検証すること。

提案手法

• U(1)_{B-L}ゲージ対称性、3つの右手系重いメジャナネーター中性子、および異常をキャンセルし、対称性を破るB-L荷を持つヒッグスシングレットを備えた最小限のB-L模型を採用する。
• Z′とSMのZが混合しない（混合パラメータŝg = 0）場の基底を用いることで、明確なZ′信号を保証する。
• ディラックおよびメジャナネーターのヤクバ結合を用いてシー・サウ機構を実装し、軽い中性子の質量を生成するとともに、重い中性子状態を定義する。
• √s = 13 TeVにおけるpp → ν̄_h ν_h → 3l + 2j + ν̄_lのモンテカルロシミュレーションを実施し、M_{Z′} = 1.5 TeV、g′ = 0.2、M_{ν_h} = 200 GeVとする。
• 可視粒子（3l + 2j）を用いて横方向質量m_T^2を定義し、M_{Z′} = 1.5 TeVでピークを示すことでZ′質量を再構成する。
• 運動学的および検出器の受容性カットを適用し、Wボソン質量に近い二ジェットのインバリアント質量を要件とすることで背景（t̄t、WZjj）を抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限のB-L模型におけるZ′が重いメジャナネーター中性子に崩壊する際に生じる支配的なLHCの署名は何か？
• RQ2 寿命が長い重い中性子が生じるずれた頂点は観測可能であり、その崩壊長および質量の測定に利用可能か？
• RQ3 Z′および重い中性子の質量を同時に測定することで、軽い中性子の絶対質量をどのように決定できるか？
• RQ4 M_{Z′}-g′_1平面において、LHCと将来の線形衝突加速器の発見可能性を比較するとどうなるか？
• RQ5 遮断エネルギーおよびジェットを伴う多重レプトン最終状態における背景抑制はどの程度達成可能か？

主な発見

• M_{ν_h} ≲ M_{Z′}/2の場合、Z′が重い中性子対に崩壊する分支比は最大で約20％に達し、クリアな多重レプトンの署名を生じる。
• 質量が約200 GeVで、寿命がbクォークと同等またはそれ以上の重い中性子（τ ~ 10^{-12} s）は、LHCで観測可能なずれた頂点を生成する。
• 3レプトンおよび2ジェットを対象とした横方向質量分布m_T^2は、M_{Z′} = 1.5 TeVで明確なピークを示し、正確なZ′質量測定が可能である。
• t̄tおよびWZjjプロセスからの背景は、二ジェットのインバリアント質量がWボソン質量に近いことを要件とすることで顕著に抑制される。
• LHCは500 GeV < M_{Z′} < 1 TeVの範囲で発見可能性を達成し、固定エネルギーのLCよりも優れるが、エネルギースキャンモードのLCはLHCの到達範囲を超える領域にアクセス可能である。
• 重い中性子の質量および寿命の同時測定により、シー・サウの式を逆算し、軽い中性子の絶対質量を推定可能である。