[論文レビュー] Seesaw Spectroscopy at Colliders

Clifford Cheung, Lawrence J. Hall+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2011

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、長寿命の次に軽い超対称粒子（NLSP）が真性ニュートリノLSPに崩壊する経路を通じて、ニュートリノのシー・スイッチメカニズムを直接プローブし再構成するコライダー基盤の手法を提案する。崩壊エネルギースペクトルにおける単色線または不変質量分布における端の測定により、真性ニュートリノの質量とヤコビ係数を抽出でき、ニュートリノ質量行列の再構成と弱いスケールにおける重粒子生成モデルのテストが可能になる。

ABSTRACT

A low-scale neutrino seesaw may be probed or even reconstructed at colliders provided that supersymmetry is at the weak scale and the LSP is a sterile sneutrino. Because the neutrino Yukawa couplings are small, the NLSP is typically long-lived and thus a significant fraction of colored or charged NLSPs may stop in the detector material before decaying to the LSP and a charged lepton, gauge boson, or Higgs. For two-body NLSP decays, the energy spectrum of the visible decay product exhibits a monochromatic line for each sterile sneutrino which can be used to extract the sterile sneutrino masses and some or all entries of the neutrino Yukawa matrix modulo phases. Similar methods can be used to extract these parameters from the Dalitz plot in the case of three-body NLSP decays. Assuming that the sterile sneutrino and neutrino are roughly degenerate, one can confirm the existence of a neutrino seesaw by comparing these measured parameters to the observed active neutrino masses and mixing angles. Seesaw spectroscopy can also provide genuinely new information such as the value of $θ_{13}$, the nature of the neutrino mass hierarchy, and the presence of CP conservation in the neutrino sector. We introduce a weak-scale theory of leptogenesis that can be directly tested by these techniques.

研究の動機と目的

• 真性ニュートリノの質量や結合定数が極めて大きい場合、実験的に測定が困難となるため、コライダーにおけるシー・スイッチメカニズムの直接的実験的プローブを開発すること。
• 弱いスケールにおける超対称性と真性スネュートリノLSPを持つ理論が、NLSP崩壊を通じてニュートリノヤコビ行列と真性スネュートリノ質量を再構成可能であることを示すこと。
• NLSP崩壊分光法によるCP対称性破れ位相とヤコビ係数の測定を通じて、低スケールの重粒子生成モデルをコライダーでテストすること。
• コライダー観測データからニュートリノ混合角 $\theta_{13}$、質量階層、CP保存の有無を再構成する手法を確立すること。
• 停止したNLSPが存在しない状況でも、運動量エッジと単色線を用いてシー・スイッチパラメータを再構成可能であることを示すこと。

提案手法

• 長寿命のNLSP（例：チルチンォやクォーク）が検出器材料内で停止し、電荷を帯びたレプトンと真性スネュートリノLSPに崩壊するのを観測する。
• 可視崩壊生成物（例：電荷を帯びたレプトン）のエネルギースペクトルを測定し、異なる真性スネュートリノ質量に対応する単色線を特定する。
• 不変質量分布（例：$m_{q\ell^\pm}$）における運動量エッジ技術を用いて、ずれた崩壊カスケードにおける複数の真性スネュートリノ質量を抽出する。
• ペア生成系において、ジェットの組み合わせやNLSP質量に依存しない独立したスネュートリノ質量再構成のため、$M_{T2}$ 変数を用いる。
• 分岐比 $\propto |\lambda_{ij}|^2$ からニュートリノヤコビ行列 $\lambda_{ij}$ を再構成し、測定された真性スネュートリノ質量と照合することで、シー・スイッチメカニズムの妥当性を検証する。
• 式 $M_j^2 = m_{\tilde{\chi}^\pm}^2 + m_{\ell^\pm}^2 - 2m_{\tilde{\chi}^\pm}E_{\ell^\pm}$ を用いて、レプトンエネルギースペクトルから真性スネュートリノ質量を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長寿命のNLSPが真性スネュートリノLSPに崩壊する経路を通じて、コライダーでニュートリノのシー・スイッチメカニズムを直接プローブ可能か？
• RQ2 単色線や運動量エッジといったコライダー観測量から、ニュートリノヤコビ行列と真性スネュートリノ質量をどの程度再構成可能か？
• RQ3 シー・スイッチ分光法により、$\theta_{13}$、ニュートリノ質量階層、ニュートリノ系におけるCP保存の有無を独立して測定可能か？
• RQ4 NLSPが真性スネュートリノに崩壊するコライダー測定を通じて、低スケールの重粒子生成モデルをテスト可能か？
• RQ5 ジェットの組み合わせとずれた崩壊背景が存在する状況でも、シー・スイッチパラメータの再構成はどの程度頑健か？

主な発見

• レプトンエネルギースペクトルにおける単色線により、2体崩壊における真性スネュートリノ質量が直接測定可能である。
• クォーク-レプトン対の不変質量 $m_{q\ell^\pm}$ における運動量エッジは、ずれたカスケード崩壊における複数の真性スネュートリノ質量の再構成に利用可能である。
• NLSPが異なるレプトンフレーバーに崩壊する分岐比は $|\lambda_{ij}|^2$ に比例するため、ヤコビ行列の位相を除いて再構成可能である。
• この手法により、ヤコビ係数と質量の直接測定を通じて、$\theta_{13}$、ニュートリノ質量階層、ニュートリノ系におけるCP保存の有無を決定可能である。
• 再構成されたパラメータと観測されたアクティブニュートリノ質量と混合角を照合することで、ニュートリノ質量のシー・スイッチ起源を確認し、シー・スイッチメカニズムを検証可能である。
• 弱いスケールの重粒子生成理論は、測定された $|\lambda_{ij}|^2$ と $M_j$ 値を通じて、ソフトなSUSY破れにおけるCP対称性破れ位相をプローブ可能であるため、シー・スイッチ分光法により直接テスト可能である。