[論文レビュー] Searching for heavy neutral lepton and lepton number violation through VBS at high-energy muon colliders

Tong Li, Chang-Yuan Yao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、高エネルギーのミューオン衝突機におけるベクトルボソン散乱（VBS）を用いて、重い中性レプトン（HNL）およびレプトン数非保存（LNV）を探索することを提案する。同定された同一スピンのレプトン（例：ℓ⁺ℓ⁺）の明確で頑健なシグネチャが、マヨラナ型HNLとディラック型状態を区別可能である。研究では、√s = 10–30 TeVのミューオン衝突機におけるVBS過程が、μレプトンとのHNL混合行列要素|VμN|²を最大10⁻⁴まで探査可能であり、ワインバーグ項のスケールΛ/|Cμμ⁵| ≲ 47.7 TeVの感度限界を設定している。

ABSTRACT

High-energy muon collider can play as an emitter of electroweak gauge bosons and thus leads to substantial vector boson scattering (VBS) processes. In this work, we investigate the production of heavy neutral lepton (HNL) N and lepton number violation (LNV) signature through VBS at high-energy muon colliders. VBS induces LNV processes W$^{±}$Z/γ → ℓ$^{±}$N → ℓ$^{±}$ℓ$^{±}$W$^{∓}$ → ℓ$^{±}$ℓ$^{±} q\overline{q} ^{′}$ with an on-shell HNL N at μ$^{+}$μ$^{−}$ colliders. In analogy to neutrinoless double-beta decay with the HNL in t-channel, the LNV signature W$^{+}$W$^{+}$ → ℓ$^{+}$ℓ$^{+}$ can also happen via VBS at same-sign muon collider. They provide clean and robust LNV signatures to tell the nature of Majorana HNLs and thus have more advantageous benefits than direct μμ annihilation. We analyze the potential of searching for Majorana HNL and obtain the exclusion limits on mixing V$_{ℓN}$. Based on this same-sign lepton signature, we also obtain the sensitivity of muon collider to the Weinberg operator.

研究の動機と目的

• 高エネルギーのミューオン衝突機において、レプトン数非保存（LNV）を通じてマヨラナ型HNLの性質を探査する明確で頑健なシグネチャの開発を目的とする。
• 最終状態にニュートリノが欠落するため、マヨラナ型とディラック型HNLを区別できない直接的なµµ対消滅の制限を克服することを目的とする。
• 0νββに類似したLNV過程を通じて、より重いHNLを探査可能な同一スピンのミューオン衝突機（µ⁺µ⁺）の可能性を検討することを目的とする。
• ニュートリノ質量生成に寄与する次元5のワインバーグ項に対するミューオン衝突機の感度を定量化することを目的とする。

提案手法

• 高エネルギーのµ⁺µ⁻およびµ⁺µ⁺衝突機におけるVBS過程をモデル化するため、電弱パートン分布関数（EW PDFs）を用いる。
• VBS生成過程：W±Z/γ → ℓ±N → ℓ±ℓ±W∓ → ℓ±ℓ±q¯q′（HNL Nはオンシェル）を、決定的なLNVシグネチャとして分析する。
• 信号の有意性および除外限界を推定するために、検出器レベルのシミュレーションを実施し、LNVシグネチャと標準模型のバックグラウンドを比較する。
• バックグラウンドを低減するため、同一スピンのレプトンおよびジェットに最適化された選別カットを適用する。
• ワインバーグ項寄与をモデル化するため、パートンレベルの断面積σ(W⁺W⁺ → ℓ⁺ℓ′) ≈ (2−δℓℓ′)/(18π) × |Cₗₗ′⁵/Λ|²を用いる。
• 2σの有意性要件に基づき、|VℓN|²の除外限界およびワインバーグ項スケールΛ/|Cμμ⁵|の感度限界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーのミューオン衝突機におけるVBS過程は、マヨラナ型HNLを特定する明確でモデルに依存しないシグネチャを提供できるか？
• RQ2 VBSベースのHNL探査は、直接的なµ⁺µ⁻対消滅と比較して、|VμN|²の探査においてどの程度感度が優れているか？
• RQ3 同一スピンのµ⁺µ⁺衝突機は、0νββに類似したLNV過程を通じて、ℓ±ℓ± + ジェット(s)のシグネチャよりもはるかに重いHNLを探査可能か？
• RQ4 ミューオン衝突機は、次元5のワインバーグ項スケールΛ/|Cμμ⁵|に対してどの程度の感度を有するか？
• RQ5 VBS過程は、異なる電荷レプトンフレーバーとのHNL混合、特にℓ₁ ≠ ℓ₂の|Vℓ₁NVℓ₂N|に対しても探査可能か？

主な発見

• VBS過程W±Z/γ → ℓ±N → ℓ±ℓ±W∓ → ℓ±ℓ±q¯q′は、同一スピンの電荷レプトンを伴う決定的なLNVシグネチャを提供し、マヨラナ型HNLを明確に区別可能である。
• √s = 10 TeVで、VBSによる|VμN|²の除外限界は、断面積が小さいにもかかわらず、µ⁺µ⁻対消滅によるものよりも強い。
• µ⁺µ⁺衝突機では、0νββに類似したLNVシグネチャW⁺W⁺ → ℓ⁺ℓ⁺が、ℓ±ℓ± + ジェット(s)のシグネチャよりもはるかに重いHNLの探査を可能にする。
• √s = 30 TeVで、ワインバーグ項スケールへの感度はΛ/|Cμμ⁵| ≲ 47.7 TeVに達し、有効なµµマヨラナ質量mμμ ≳1.3 GeVに対応する。
• 本手法は、μ–N系にとどまらず、異なるレプトンフレーバーとのHNL混合、特にℓ₁ ≠ ℓ₂の|Vℓ₁NVℓ₂N|に対しても探査可能である。
• VBSベースのLNVシグネチャが、特に高質量領域においてマヨラナ型HNLの特定に頑健で適していることが確認された。