[論文レビュー] Studies on the anomalous magnetic and electric dipole moments of the tau-neutrino in $pp$ collisions at the LHC

A. Gutiérrez-Rodríguez, M. Köksal+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、LHCにおける中心エネルギーエネルギー $\sqrt{s} = 8, 13, 14, 33$ TeV および最大 3000 fb$^{-1}$ の統合した光度を用い、ATLAS検出器のシミュレーションを通じて、$pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ の過程を介してタウニュートリノの異常磁気モーメント（MM）および電気双極子モーメント（EDM）を調査する。95%信頼水準（C.L.）における現在最も厳しい上限が報告された：$\mu_{\nu_\tau} = 1.474 \times 10^{-6}\mu_B$ および $d_{\nu_\tau} = 2.424 \times 10^{-17}$ ecm であり、これによりLEPおよび固定標的に基づく既存の結果を約2.23倍の感度向上で上回った。

ABSTRACT

In this paper the production cross section $pp ightarrow (γ, Z) o ν_τ\bar ν_τγ+X$ in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=8, 13, 14, 33TeV$ is presented. Furthermore, we estimate bounds at the $95\%C. L.$ on the dipole moments of the tau-neutrino using integrated luminosity of ${\cal L}=20, 50, 100, 200, 500, 1000, 3000 fb^{-1}$ collected with the ATLAS detector at the LHC and we consider systematic uncertainties of $δ_{sys}=0, 5, 10\%$. It is shown that the process under consideration is a good prospect for probing the dipole moments of the tau-neutrino at the LHC.

研究の動機と目的

• LHCにおける高エネルギー $pp$ 衝突において、タウニュートリノの異常磁気モーメントおよび電気双極子モーメントを調べること。
• さまざまな光度および中心エネルギーエネルギーにおけるATLAS検出器のこれらのモーメントに対する感度を評価すること。
• Borexino、DONUT、CERN-WA-066、およびL3実験からの既存の実験的上限を改善すること。
• 系統的不確実性（0%、5%、10%）が導かれる上限に与える影響を評価すること。

提案手法

• 異常な $\nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma$ 頂点結合を含む有効場理論を用いて、$pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ の全断面積を計算する。
• SMと異常な双極子寄与の干渉を含めた、$pp \to (\gamma, Z) \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ の過程としてプロセスをモデル化する。
• 信号感度を向上させるために、横方向エネルギー（$E_T$）、横方向運動量（$p_T$）、擬似急速度（$\eta$）に対する運動学的カットを適用する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて信号およびバックグラウンドの寄与を推定し、0%、5%、10%の系統的不確実性を検討する。
• 異常結合パラメータのスキャンを通じて、95%信頼水準（C.L.）における $\mu_{\nu_\tau}$ および $d_{\nu_\tau}$ の上限を導出する。
• さまざまな光度およびエネルギー設定における感度領域を可視化するため、$(F_3 - F_2)$ 平面上の二変数の等高線を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける $pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ の過程は、以前の実験よりもタウニュートリノの異常磁気モーメントをより高い感度で探査可能か？
• RQ2 LHCの光度および中心エネルギーエネルギーは、タウニュートリノの双極子モーメントに対する感度にどのように影響するか？
• RQ3 将来のLHCランで統合光度が増加する条件下で、$\mu_{\nu_\tau}$ および $d_{\nu_\tau}$ の予想される95% C.L.上限は何か？
• RQ4 系統的不確実性（0%、5%、10%）は、双極子モーメントの上限にどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 $\nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma$ チャネルは、他の既存および計画中の実験と比較して、ニュートリノの電磁的性質を探査する上で競争力があるか？

主な発見

• $pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ の過程は、ハドロン衝突加速器においてタウニュートリノの異常磁気モーメントを探査するための実現可能で感受性の高いチャネルを提供する。
• 95% C.L.における異常磁気モーメントの最も厳しい上限は、$\sqrt{s} = 33$ TeV および $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 條件で得られた $\mu_{\nu_\tau} = 1.474 \times 10^{-6}\mu_B$ である。
• 95% C.L.における電気双極子モーメントの最も厳しい上限は、同様に最適な光度およびエネルギー条件で得られた $d_{\nu_\tau} = 2.424 \times 10^{-17}$ ecm である。
• これらの上限は、LEPのL3実験からの以前の最良の上限と比較して約2.23倍も厳密である。
• 磁気双極子モーメントへの感度は、$\sqrt{s} = 8$ TeV において干渉効果によりわずかに非対称性を示すが、高エネルギー領域へ進むにつれてその影響は薄れる。
• 最大10%までの系統的不確実性は、最終的な上限に測定可能なが、やや中程度の影響を及ぼす。感度は、検討されたすべての不確実性レベルにおいて安定している。