[論文レビュー] Probing the Type I Seesaw Mechanism with Displaced Vertices at the LHC

A. M. Gago, Pilar Hernández+3 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるタイプIシーイズモデルにおけるヒッグスボソンの重ねるニュートリノへの崩壊を、数GeVの質量範囲で非直ちに現れる崩壊頂点（displaced vertices）を焦点として探索する。300 fb⁻¹の13 TeVデータを用い、擬似ラピディティ（pseudorapidity）のカットを適用した後でも10件以上の信号イベントが残ることを示しており、従来のトリガーでは制限を受けるものの、専用トリガーの最適化に向けた運動量分布を同定している。

ABSTRACT

The observation of Higgs decays into heavy neutrinos would be strong evidence for new physics associated to neutrino masses. In this work we propose a search for such decays within the Type I seesaw model in the few-GeV mass range via displaced vertices. Using 300 fb$^{-1}$ of integrated luminosity, at 13 TeV, we explore the region of parameter space where such decays are measurable. We show that, after imposing pseudorapidity cuts, there still exists a region where the number of events is larger than $\mathcal{O}(10)$. We also find that conventional triggers can greatly limit the sensitivity of our signal, so we display several relevant kinematical distributions which might aid in the optimization of a dedicated trigger selection.

研究の動機と目的

• LHCにおけるタイプIシーイズモデルにおいて、ヒッグス崩壊が重ねるニュートリノへと生じる非直ちに現れる崩壊頂点を介した検出可能性を検討すること。
• 現在のLHCの光度で測定可能な、数GeVの重ねるニュートリノ質量範囲におけるパrameter空間の領域を特定すること。
• 従来のトリガーが信号感度に与える影響を評価し、最適化されたトリガー選択のための運動量分布を提案すること。
• Wボソン崩壊探索とは異なる見地から、ヒッグス崩壊を通じて見られるシーイズパラメータの組み合わせを探索すること。

提案手法

• 最小限の3+2ニュートリノモデルを用い、レプトン数の近似的なU(1)ₗ対称性を仮定してシーイズ機構をパラメータ化する。
• ニュートリノ質量、直接探索、非対称二重ベータ崩壊、レプトンフラバー不変破れの制約を適用し、妥当なパラメータ空間を制限する。
• 混合行列のパラメータ化と有効ニュートリノ質量行列を用いて、ヒッグスの重ねるニュートリノへの分岐比を計算する。
• LHCにおけるグルーオン融合によるヒッグス生成をシミュレートし、崩壊過程h → νNに続くN → ℓqq′ や N → ℓ⁺ℓ⁻νによる非直ちに現れる頂点のシグナルをモデル化する。
• 擬似ラピディティカットを適用し、相対論的運動量力学に基づいて得られた実験フレームでの微分崩壊率を用いて信号収量を評価する。
• トランスバース運動量や崩壊頂点のずれといった運動量分布を分析し、専用探索のためのトリガー最適化を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数GeVの質量範囲における重ねるニュートリノへのヒッグス崩壊が、LHCで検出可能な非直ぐに現れる頂点シグナルを生じるか。
• RQ2 13 TeVの300 fb⁻¹データセットにおいて、現実的な擬似ラピディティカットを適用した後、観測可能なイベント数はどの程度か。
• RQ3 従来のLHCトリガーは、ヒッグス崩壊に起因する非直ぐに現れる頂点シグナルの感度にどのように制限を及えるか。
• RQ4 信号検出効率を向上させるために、専用トリガーを設計するにあたり、どの運動量分布が最も有効か。

主な発見

• 擬似ラピディティカットを適用した後でも、13 TeVでの300 fb⁻¹の統合光度において、数GeVの質量範囲におけるヒッグス崩壊の信号イベント数は𝒪(10)以上に保たれる。
• 信号はニュートリノ-ヒッグスカップリングに敏感であり、Wボソン崩壊探索とは相補的な観点からタイプIシーイズ機構を直接探査可能である。
• 従来のトリガーは、非直ぐに現れる頂点シグナルの抑制により感度を著しく制限しており、最適化されたトリガー戦略の導入が不可欠である。
• トランスバース運動量や崩壊頂点のずれといった運動量分布が、トリガー効率の向上と信号検出の強化に不可欠であることが同定された。
• 重ねるニュートリノ質量がほぼ degenerate でマヨラナ位相が大きい場合には、非対称二重ベータ崩壊への寄与が強化されるが、既存の実験的制限により制約を受ける。
• 相対論的運動量力学に基づき、実験フレームでヒッグス崩壊h → νNの微分崩壊率が導出されており、運動量保存則と位相空間制約が明示的に考慮されている。