[論文レビュー] The effective field theory of low scale see-saw at colliders

Anke Biekötter, M. Chala+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 49被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、未破れの標準模型効果的場理論（uSMEFT）の文脈において、0.1〜10 GeVの質量を持つ右手型ニュートリノが光子と標準模型ニュートリノに即時崩壊する場合の低スケールの見せかけのスケール（seesaw）機構を研究している。既存のLHCおよびLEPの制約にもかかわらず、いくつかのオペレータ係数が弱く制約されていないことが特定され、残りの未テストのパラメータ空間を調べるための、光子を伴うレアなトップおよびタウ崩壊を対象とした専用の探索を提案している。

ABSTRACT

We study the Standard Model effective field theory ($ u$SMEFT) extended with operators involving right-handed neutrinos, focussing on the regime where the right-handed neutrinos decay promptly on collider scales to a photon and a Standard Model neutrino. This scenario arises naturally for right-handed neutrinos with masses of the order $m_N \sim 0.1 \dots 10\, ext{GeV}$. We limit the relevant dimension-six operator coefficients using LEP and LHC searches with photons and missing energy in the final state as well as pion and tau decays. While bounds on new physics contributions are generally in the TeV scale for order one operator coefficients, some coefficients, however, remain very poorly constrained or even entirely evade bounds from current data. Consequently, we identify such weakly constrained scenarios and propose new searches for rare top and tau decays involving photons to probe potential new physics in the $ u$SMEFT parameter space. Our analysis highlights the importance of performing dedicated searches for new rare tau and top decays.

研究の動機と目的

• 0.1–10 GeVの範囲の質量を持つ右手型ニュートリノのuSMEFTフレームワークにおける効果的現象論を分析すること。
• 既存のLHC、LEP、およびフラーバー物理学のデータを用いて、右手型ニュートリノを含む次元6オペレータの制約を評価すること。
• 現在の実験的データによって弱く制約されている、あるいはまったく制約がないオペレータ係数を同定すること。
• 残りの未テストのパラメータ空間を調べるため、光子を伴うレアなトップおよびタウ崩壊を標的とした新しいコライダー探索を提案すること。

提案手法

• 右手型ニュートリノを含む次元6オペレータを拡張したuSMEFTラグランジアンを構築すること。
• コライダーのイベント署名に適した、右手型ニュートリノが光子と標準模型ニュートリノに即時崩壊する領域に焦点を当てる。
• 最終状態に光子と運動量の欠損を伴う探索結果からLHCおよびLEPの制約を適用すること。
• パイオニウムおよびタウ崩壊の精密測定を用いて、新しい物理学の寄与を制約すること。
• 実験的感度が弱い領域を同定するため、オペレータ係数の体系的スキャンを実施すること。
• 光子を伴うレアなトップおよびタウ崩壊を標的とした新しい探索戦略をコライダーで提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC、LEP、およびフラーバー物理学のデータによって、右手型ニュートリノを含む次元6オペレータのどの係数が現在のところ弱く制約されているか？
• RQ2 質量が0.1–10 GeVの右手型ニュートリノの崩壊モードは、光子および運動量の欠損を伴うコライダーのイベント署名にどのように影響を与えるか？
• RQ3 特定のオペレータ係数に対する現在の感度の欠如が、低スケールの見せかけのスケール物理学の発見に与える影響は何か？
• RQ4 光子を伴うレアなトップおよびタウ崩壊は、uSMEFTパラメータ空間の未テスト領域をどのように探査できるか？

主な発見

• 0.1〜10 GeVの範囲の質量を持つ右手型ニュートリノを含む次元6オペレータの係数のいくつかは、オーダー1の係数が一般にテルアスケールで制約されているにもかかわらず、現在のLHC、LEP、およびフラーバー物理学のデータによって未制約、あるいは極めて弱く制約されている。
• 右手型ニュートリノが光子と標準模型ニュートリノに即時崩壊する状況は、0.1–10 GeVの質量範囲において自然であるため、コライダー探索の有力な標的となる。
• 既存の光子と運動量の欠損を伴う探索では、パラメータ空間を完全にカバーしておらず、依然として大きな領域が未テストのままである。
• 光子を伴うレアなトップおよびタウ崩壊は、uSMEFTパラメータ空間の残りの未制約領域を調べるための有望な新しい探索チャネルであると特定された。
• 本分析は、低スケールの見せかけのスケールモデルに対する感度のギャップを埋めるために、こうしたレア崩壊の専用実験的探索が不可欠であることを強調している。