[論文レビュー] Probing sterile neutrino in meson decays with and without sequential neutrino decay

C. S. Kim, Dong‐Hun Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、Belle IIにおける$B \to D\ell N$崩壊を用いたステルラーニュートリノ$N$の体系的探索を提示する。非励起頂点のシグネチャーやスピンの反転抑制を活用し、$|U_{\mu N}|^2$をプローブし、$N$がディラック粒子かメジャノワ粒子かを区別する。この手法により、アップグレードされたLHCbと同等の制約が得られ、$m_N < 2$ GeVではより優れた感度を示す。

ABSTRACT

We present the most systematic approach to discover a sterile neutrino $N$ or constrain $\left| U_{\ell N} ight|^2$, the mixing between active neutrino $ u_\ell$ (with $\ell=\mu, au$) and the sterile neutrino $N$, from $B o D\ell N$ decays. Our constraint on $\left| U_{\mu N} ight|^2$ achievable from Belle II data is comparable with that from the much larger data set of upgraded LHCb, even much better for mass of sterile neutrino $m_N < 2$ GeV. We can also probe the Dirac and Majorana nature of $N$ by observing the sequential decay of $N$, including suppression factors associated with observation of a displaced vertex and helicity flip, for Majorana $N$.

研究の動機と目的

• ステルラーニュートリノ混合$|U_{\ell N}|^2$を$B \to D\ell N$崩壊において体系的にプローブする手法の開発。
• Belle IIのデータを用いて、ミューオン/タウニュートリノとステルラーニュートリノ$N$の間の混合を制約すること。
• 連続する崩壊シグネチャーや抑制効果を通じて、$N$のディラック粒子かメジャノワ粒子かの性質を区別すること。
• 特に$m_N < 2$ GeVの場合に、既存の実験と比較して感度を向上させること。
• メジャノワ$N$の解析において、非励起頂点検出とスピン反転抑制を適切に取り入れること。

提案手法

• $\ell = \mu, \tau$のステルラーニュートリノ$N$をプローブする$B \to D\ell N$崩壊を分析。
• メジャノワ$N$のスピン反転抑制および非励起頂点検出を考慮した抑制要因を組み込む。
• Belle IIの高インテンシティデータを用いて、運動量的およびトポロジカルなシグネチャ一に基づき$|U_{\mu N}|^2$の上限を設定。
• データサイズおよび検出効率の違いを考慮し、アップグレードされたLHCbの感度と比較。
• 連続する崩壊$N \to \ell \ell'$を理論的フレームワークでモデル化し、メジャノワ$N$のスピン反転抑制を適用。
• 頂点再構築およびレプトン識別に関する実験的制約を統合し、感度を向上。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Belle IIは$B \to D\mu N$崩壊において$|U_{\mu N}|^2$に対してどの程度の感度を有するか。また、アップグレードされたLHCbと比較するとどうなるか。
• RQ2 非励起頂点検出とスピン反転抑制は、メジャノワ$N$の連続的崩壊観測にどのように影響するか。
• RQ3 $B \to D\ell N$崩壊およびその崩壊系列を用いて、$N$がディラック粒子かメジャノワ粒子かを区別できるか。
• RQ4 $m_N < 2$ GeVの影響が、他の実験と比較してBelle IIの感度に与える影響は何か。
• RQ5 スピン反転抑制の抑制要因は、$B \to D\ell N$崩壊における$N$の検出可能性にどのように影響するか。

主な発見

• Belle IIは、データ量が少ないにもかかわらず、アップグレードされたLHCbと同等の$|U_{\mu N}|^2$の制約を達成している。
• 特に$m_N < 2$ GeVの領域では、Belle IIの$|U_{\mu N}|^2$に対する感度がアップグレードされたLHCbを上回っている。
• スピン反転抑制を伴う連続的崩壊により、ディラック型$N$とメジャノワ型$N$の区別が可能である。
• 非励起頂点シグネチャ一は、$B \to D\ell N$崩壊における長寿命$N$の検出を顕著に向上させる。
• スピン反転抑制からの抑制要因は、メジャノワ$N$の信号を正確にモデル化する上で不可欠である。
• 本手法は、$B \to D\ell N$崩壊におけるステルラーニュートリノ混合および性質を体系的にプローブする強固なフレームワークを提供する。