[論文レビュー] Probing Heavy Majorana Neutrinos and the Weinberg Operator through Vector Boson Fusion Processes in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2393 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、LHCにおける13 TeVの√sで同一符号の二ミュオン最終状態におけるベクトルボソン融合（VBF）過程を用いた、重いメジャナネーター中性子およびワインバーグ作用素の最初の探索を報告する。CMSが得た138 fb⁻¹のデータを用いて、650 GeVを超える中性子質量に対して|VμN|²のLHCで最も厳しい制限を設定し、効果的µµメジャナネーター中性子質量に対する最初のコライダー制限を確立した。観測された95%信頼区間上限は10.8 GeVであった。

ABSTRACT

The first search exploiting the vector boson fusion process to probe heavy Majorana neutrinos and the Weinberg operator at the LHC is presented. The search is performed in the same-sign dimuon final state using a proton-proton collision data set recorded at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, collected with the CMS detector and corresponding to a total integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The results are found to agree with the predictions of the standard model. For heavy Majorana neutrinos, constraints on the squared mixing element between the muon and the heavy neutrino are derived in the heavy neutrino mass range 50 GeV-25 TeV; for masses above 650 GeV these are the most stringent constraints from searches at the LHC to date. A first test of the Weinberg operator at colliders provides an observed upper limit at 95% confidence level on the effective $\mu\mu$ Majorana neutrino mass of 10.8 GeV.

研究の動機と目的

• LHCにおけるベクトルボソン融合（VBF）過程において、重いメジャナネーター中性子およびワインバーグ作用素の存在を調査すること。
• 特に同一符号の二ミュオン最終状態において、高エネルギー陽子陽子衝突におけるレプトン数不変（LNV）をテストすること。
• 50 GeV〜25 TeVの質量範囲における、ミュオンと重いメジャナネーター中性子との混合要素|VμN|²の改善された制約を設定すること。
• ワインバーグ作用素からの効果的µµメジャナネーター中性子質量に対する最初のコライダー由来の上限を提供すること。
• sチャンネル生成に比べて、質量の増加に伴う断面積の抑制が遅いtチャンネルVBFトポロジーを活用することで、sチャンネル探索の補完的プローブを提供すること。

提案手法

• CMS検出器が収集した、√s = 13 TeVの陽子陽子衝突データを用い、統合された全断面積が138 fb⁻¹に相当する。
• ベクトルボソン融合（VBF）経由で生成された同一符号の二ミュオン最終状態のイベントを分析し、2つの前方ジャケットと中央部の二ミュオン系を特徴とする。
• 2つの異なるVBFプロセスをモデル化する：(1) tチャンネルによる重いメジャナネーター中性子の生成、および(2) ワインバーグ作用素による有効場理論の媒介。
• QCDマルチジェットおよびDrell-Yan過程を含む標準模型のバックグラウンドを抑制するために、運動量再構成とイベント選別基準を適用する。
• 尤度に基づく統計的解析を実施し、信号強度の上限を設定し、|VμN|²および効果的µµメジャナネーター質量の境界に翻訳する。
• 有効場理論フレームワークを用いてワインバーグ作用素を記述し、有効スケールΛがメジャナネーター質量とmμμ = C₅v²/Λの関係にあることを考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるベクトルボソン融合で重いメジャナネーター中性子が生成可能であり、それらのミュオンとの混合に及ぼす制限は何か？
• RQ2 ワインバーグ作用素からの効果的µµメジャナネーター中性子質量に対する最初のコライダー由来の上限は何か？
• RQ3 高質量領域における重いメジャナネーター中性子を調べる際、VBFプロセスとsチャンネル生成の違いは何か？
• RQ4 LHCにおける観測された同一符号の二ミュオンイベントは、レプトン数不変と整合するような標準模型予測からのずれを示しているか？
• RQ5 TeVスケールにおけるVBFトポロジーはワインバーグ作用素に対してどの程度感度が高く、低エネルギー実験と比較してどう異なるか？

主な発見

• 全質量範囲にわたり、同一符号の二ミュオン最終状態において、標準模型との著しいずれは観測されなかった。
• 650 GeVを超える重いメジャナネーター中性子質量に対して、本研究は|VμN|²のLHCで最も厳しい制限を現在までに設定した。
• 観測された95%信頼区間上限として、効果的µµメジャナネーター中性子質量は10.8 GeVであり、この観測量に対する最初の直接的なコライダー制限である。
• VBFトポロジーは、質量の増加に伴う断面積の抑制が遅いため、sチャンネル探索の補完的プローブとして有効である。
• 本分析は、LHCにおけるワインバーグ作用素およびレプトン数不変の探査にVBFプロセスを用いる可能性を示した。
• 結果は、研究された最終状態および質量範囲において、標準模型を超える新しい物理の欠如と整合的である。