[論文レビュー] Probing baryon asymmetry of the Universe at LHC and SHiP

I. Boiarska, Kyrylo Bondarenko+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 65被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、LHC（ATLAS、CMS、LHCb）のずらし頂点探索とSHiP強度フロントアドバンス実験を組み合わせることで、スレーマン・メカニズムによるニュートリノ質量の説明と、宇宙のバリオン非対称性（BAU）の生成を同時に可能にする重い中性レプトン（HNL）のパラメータ空間を探索できることを示している。LHCとSHiP実験が併用されることで、特にHNL質量が約5 GeV未塔および混合角が約10⁻⁸未塔の範囲で、最小限のHNLバリオン生成シナリオの大部分をカバー可能であることが示された。

ABSTRACT

The origin of the baryon asymmetry of the Universe (BAU) is one of the major puzzles beyond the Standard Model. Detecting the particles responsible for the generation of the BAU would enormously boost our understanding of physics of the early Universe. Here we demonstrate that searches for displaced vertices at ATLAS, CMS and LHCb allow detecting heavy neutral leptons (HNL) with parameters that can simultaneously lead to the successful generation of the BAU and explain the masses and oscillations of active neutrinos. The combination of a dedicated LHC search program and a complementary Intensity Frontier experiment (such as SHiP) will allow exploring a sizeable part of the "minimal HNL baryogenesis" parameter space.

研究の動機と目的

• 重い中性レプトン（HNL）のパラメータ空間を同定し、スレーマン・メカニズムによるニュートリノ質量の説明と、宇宙のバリオン非対称性（BAU）の生成を同時に可能にするものとする。
• レプトン生成の文脈において、ATLAS、CMS、LHCbにおけるずらし頂点（DV）探索のHNLに対する感受性を評価する。
• バリオン生成に関連するHNLを探索するという点で、SHiP実験の補完的潜在能力を評価する。
• 従来の研究を10 GeVを超えるより高いHNL質量範囲にまで拡張し、現実的なバリオン生成シナリオの到達範囲を向上させる。
• LHCのDV探索とSHiPのような強度フロントアドバンス実験との間の連携効果を定量化し、宇宙論的に関係するHNLパラメータをカバーする。

提案手法

• MadGraph 5を用いて、LHCにおけるWボソン崩壊によるHNL生成を次元の最低次のオーダーでシミュレートし、断面積と運動量スペクトルを推定する。
• ATLASおよびCMSにおける幾何的受容率（ε_geom）と平均HNLエネルギー⟨E⟩を、Wボソン崩壊の運動学的性質と磁気的偏位受容率（|η| < 2.5）の統合により計算する。
• 理論的モデルからの測定断面積（σ_bbar ≈ 1.3×10⁸ pb）と分岐比を用いて、LHCbにおけるB中間子崩壊からのHNL生成を推定する。
• 異なる崩壊長範囲を想定したずらし頂点探索戦略を適用する：ATLAS/CMSには短いDV（0.4–30 cm）、CMSには長いDV（2–300 cm）、LHCbにはB中間子崩壊由来のDV（2–60 cm）を想定する。
• 実験的ランクインテグリティ推定値を用いる：ATLAS/CMSには160 fb⁻¹（現在）および3000 fb⁻¹（高出力ラン4）を、LHCbには6.7 fb⁻¹（現在）および300 fb⁻¹（高出力）を想定する。
• LHCとSHiPの感受性推定値を統合し、成功したバリオン生成が可能となるHNLパラメータ空間のカバー範囲をマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるずらし頂点探索は、レプトン生成による宇宙のバリオン非対称性を生成するHNLを探索可能か？
• RQ2 ATLAS、CMS、LHCbのDV探索は、HNL質量が約5 GeV未塔および混合角が約10⁻⁸未塔のHNLに対してどの程度の感受性を有するか？
• RQ3 SHiP実験は、バリオン生成に必要なHNLパラメータ空間をLHCのDV探索が補完する点で、どのように機能するか？
• RQ4 これまでの研究範囲（m_N ≤ 10 GeV）を超えて、LHCとSHiP実験の組み合わせが、最小限のHNLバリオン生成シナリオのどの程度をカバーできるか？
• RQ5 現在および計画中の実験が未探索のまま残しているHNLパラメータ領域はどこか？そして、将来的なDV戦略によってそれらに到達可能か？

主な発見

• LHCbにおけるB中間子崩壊由来のHNLのずらし頂点探索は、これまで未探索であったHNLパラメータ空間の領域をカバー可能であり、特にm_N ≤ m_Bの範囲で顕著である。
• CMSの長いずらし頂点戦略（2–300 cmの崩壊長）は、m_Bを超える質量のHNLをカバー可能であり、LHCbとATLAS/CMSの探索を補完する可能性を有する。
• HNL質量がm_N ≲ m_Bの範囲では、SHiPのような強度フロントアドバンス実験が、混合角を約10⁻⁸まで探査可能であり、成功したバリオン生成に必要な下限に近づく。
• LHCのDV探索（ATLAS、CMS、LHCb）とSHiPの組み合わせにより、HNLがニュートリノ質量を説明するとともに、宇宙のバリオン非対称性を生成する可能性があるパラメータ空間の広範な領域がカバー可能である。
• m_N ≲ m_Bで混合角が約10⁻⁸のHNLパラメータ空間の領域は、現在の探索では未カバーであるが、LHCbや潜在的にCMSの長いDV戦略によって到達可能である。
• 本研究は、従来のバリオン生成結果をm_N ≤ 10 GeVの範囲を超えて拡張し、より高い質量領域においても、より大きな混合角を持つHNLが依然として成功したバリオン生成をもたらす可能性を示した。