[論文レビュー] Probing the Majorana Nature and CP Properties of Neutralinos

Seong Youl Choi|ArXiv.org|Sep 6, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、将来の $e^+e^-$ 直線衝突機における中性ノイの Majorana 性および CP 違反を直接実験的に探る二つの手法を提案する。第一の手法は、三体崩壊における閾値対生成および終点付近のフェルミオンの不変質量分布の併合解析を用いるものであり、第二の手法は、二体崩壊 $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ における $Z$ ボソンのスピン状態を測定することを目的としている。主な結果として、わずかに最軽い二つの中性ノイのみが利用可能であっても、生成および崩壊における $S$-波増幅を介して CP 違反を検出可能であり、$Z$ ボソンのヘリシティ非対称性は Majorana 性を確認するとともに、CP 違反を示す。

ABSTRACT

Two powerful and straightforward methods are presented for probing the Majorana nature and CP violation of neutralinos at future $e^+e^-$ linear colliders.

研究の動機と目的

• 中性ノイが Majorana フェルミオンであるかどうか、および中性ノイ系に CP 違反が存在するかどうかを実験的に特定する手法を確立すること。
• 最も軽い中性ノイしか運動的に利用できない状況において、CP 性質および Majorana 性を調べる課題に取り組むこと。
• 複素 $M_1$、$M_2$、$\mu$ の位相といった基本的な SUSY パラメータをモデルに依存しない方法で直接テストする手段を提供すること。
• $e^+e^-$ 衝突機における中性ノイ系の初期段階で CP 違反および Majorana 性を検出可能にする。

提案手法

• CP 違反を示唆する $S$-波増幅を検出できるように、$e^+e^- \to \tilde{\chi}^0_i\tilde{\chi}^0_j$ 対生成の閾値挙動を分析する。
• 三体崩壊 $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j f\bar{f}$ の終点付近におけるフェルミオンの不変質量分布を検討し、CP 違反を示す $S$-波信号を特定する。
• 二体崩壊 $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ における $Z$ ボソンのスピン状態を用いて、CP 違反を調べ、Majorana 性を確認する。
• 固有の CP 奇性および軌道的角運動量に基づく選択則を適用し、CP 不変と CP 違反の状況を区別する。
• CP 不変の場合、ベクトルおよび軸性ベクトルカレントは $S$-波および $P$-波生成パターンをもたらすが、CP 違反によってこのパターンが破れるという事実に依存する。
• Majorana 性の特徴である $\Gamma[\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z(+)] = \Gamma[\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z(-)]$ の関係を、CP 違反の場合でも成立するという点に着目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性ノイ対生成および三体崩壊の終点分布における $S$-波増幅は、中性ノイ系における CP 違反を示唆するか？
• RQ2 中性ノイ $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ の崩壊における $Z$ ボソンのスピン状態は、CP 違反を調べるのにも用いられ、中性ノイの Majorana 性を確認するのに有効か？
• RQ3 $e^+e^-$ 衝突機で二つの最も軽い中性ノイしか利用できない場合でも、CP 違反を検出可能か？
• RQ4 複素 $M_1$ および $\mu$ の位相は、CP 選択則を破り、観測可能な $S$-波信号を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 中性ノイ系における CP 違反は、$\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ 崩壊における $Z$ ボソンのヘリシティ依存性崩壊幅にどのように反映されるか？

主な発見

• $e^+e^- \to \tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_2$ の閾値近傍および $\tilde{\chi}^0_2 \to \tilde{\chi}^0_1 l^+l^-$ の終点近傍における併合解析により、$S$-波増幅が観測され、これは最も軽い中性ノイしか利用できない状況でも CP 違反を示す。
• CP 不変の場合、CP 選択則により $S$-波生成と $S$-波崩壊は互いに排他的であるが、CP 違反によってこの制限が解除され、両方の $S$-波信号が同時に現れるようになる。
• パラメータセット $\tan\beta=10$, $|M_1|=100$ GeV, $M_2=150$ GeV, $|\mu|=400$ GeV, $\Phi_\mu=0$ の場合、数値シミュレーションにより生成および崩壊過程の両方で明確な $S$-波増幅が観測された。
• $Z$ ボソンのヘリシティ非対称性 $\Gamma(Z(+)) = \Gamma(Z(-))$ は、中性ノイの Majorana 性を確認するものであり、純虚数のベクトルおよび実数の軸性ベクトルカップリングに起因する。
• $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ における縦方向と横方向の崩壊幅の比は、質量が正確に測定された場合、崩壊モードに依存しない CP 違反の直接的プローブとなる。
• 二体崩壊が運動的に許容される場合でも、$Z$ ボソンのスピン状態の測定は、中性ノイ系における CP 違反および Majorana 性を調べる有効な手法のまま残る。