[論文レビュー] Search for Heavy Right Handed Neutrinos at the FCC-ee

A. Blondel, E. Graverini+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、Zボソンの共鳴エネルギー領域（√s ≈ 91 GeV）における高インスタントリティのe⁺e⁻衝突を利用するFuture Circular Collider電子陽電子（FCC-ee）において、重い右巻き性の不活性ニュートリノの直接探索を提案する。小さな混合角によるニュートリノの長い崩壊長を活用することで、10–80 GeV/c²の質量範囲において|U|² ∼ 10⁻¹²の感度を達成でき、see-sawモデルのパラメータ空間の広い領域をカバーする。

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics is still lacking an understanding of the generation and nature of neutrino masses. A favorite theoretical scenario (the see-saw mechanism) is that both Dirac and Majorana mass terms are present, leading to the existence of heavy partners of the light neutrinos, presumably massive and nearly sterile. These heavy neutrinos can be searched for at high energy lepton colliders of very high luminosity, such as the Future electron-positron e+e- Circular Collider, FCC-ee (TLEP), presently studied within the Future Circular Collider design study at CERN, as a possible first step. A first look at sensitivities, both from neutrino counting and from direct search for heavy neutrino decay, are presented. The number of neutrinos should be measurable with a precision between 0.001 - 0.0004, while the direct search appears very promising due to the long lifetime of heavy neutrinos for small mixing angles. A sensitivity down to a heavy-light mixing of 10^{-12} is obtained, covering a large phase-space for heavy neutrino masses between 10 and 80 GeV/c2.

研究の動機と目的

• FCC-eeという高インスタントリティe⁺e⁻衝突型加速器において、重い右巻き性不活性ニュートリノの検出可能性を調査すること。
• 標準模型におけるニュートリノ質量生成の理論的ギャップを、see-saw機構を用いて解明すること。
• 従来の加速器では到達できない極めて小さな混合角を持つ不活性ニュートリノに対するFCC-eeの感度を調査すること。
• 長寿命の重いニュートリノを検出するためのニュートリノカウント法と直接崩壊トポロジー法の両方を評価すること。
• バーチャルニュートリノ生成とダークマター生成に寄与する可能性がある重いニュートリノ質量および混合角のパラメータ空間をFCC-eeがどの程度カバーできるかを特定すること。

提案手法

• FCC-eeの中心系エネルギーが90–350 GeVの範囲、特にZボソン共鳴エネルギー領域（√s ≈ 91 GeV）における高インスタントリティe⁺e⁻衝突を用いる。
• Nが重い右巻き性ニュートリノで、|U|²が軽いニュートリノへの小さな混合を示すZ → νN崩壊を分析する。
• 小さな混合角によるNの長寿命性を活用し、検出器内でのずれた頂点トポロジーにより検出可能である。
• ハドロン的崩壊を伴うWボソンを伴うN → ℓW崩壊を特定するためのトポロジー再構成技術を適用する。
• 様々な検出器サイズについて、信号生成率とバックグラウンド抑制の推定を目的としたモンテカルロシミュレーションを実施する。
• 特にcharmクォーク質量以下の質量範囲において、SHiP実験との感度を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-eeは、|U|² ∼ 10⁻¹²という極めて小さな混合角を持つ重い右巻き性ニュートリノを検出するのに十分な感度を達成できるか？
• RQ2 小さな混合角による重いニュートリノの長寿命性が、ずれた頂点の検出可能性をどのように向上させるか？
• RQ3 10–80 GeV/c²の重いニュートリノ質量範囲において、FCC-eeの期待される感度はどの程度か？
• RQ4 ニュートリノカウント法と比較して、Z → νN崩壊トポロジーを用いた直接探索法の感度はどの程度か？
• RQ5 大気ニュートリノや他のプロセスに起因するバックグラウンドは、ずれた頂点シグネチャーにおいてどの程度抑制可能か？

主な発見

• FCC-eeでは、√s = 105 GeVで1年間走行した場合、ニュートリノカウント精度がΔN_ν ≈ ±(0.0004 – 0.0010)に達し、|U|² ∼ 3 × 10⁻⁴の感度が得られる。
• Z → νN崩壊のずれた頂点を用いた直接探索では、30–80 GeV/c²の質量範囲において|U|² ∼ 10⁻¹²の感度が達成可能である。
• 検出器半径5 mの条件下では、崩壊長が100 μmから1 mの間にある場合、重いニュートリノの関心領域が完全にカバーされる。
• FCC-eeのクラム・ウェイスト方式により、Z⁰の生成量が10¹³件に増加し、希少崩壊への感度が向上する。
• 大気ニュートリノからのバックグラウンドは、きびしい頂点再構成と到達時間要件により無視できるほど小さい。
• FCC-eeの感度領域は、バーチャルニュートリノ生成とダークマター候補の両方に関連する全質量範囲をカバーしており、30–80 GeV範囲においてSHiP実験を上回る感度を示す。