[논문 리뷰] Alternative signatures of the quintuplet fermions at the LHC and future linear colliders

Nilanjana Kumar, Vandana Sahdev|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 77인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 더 무거운 스칼라 보손을 통해 붕괴하는, 소 neutrino 질량, 암흑물질, 그리고 μon (g-2) 비일관성과 관련된 고유한 입자인 퀠티플렛 페르미온에 대한 대체 콜라이더 탐색 전략을 제안한다. 이로 인해 비표준 서명이 발생한다. LHC에서는 3000 fb⁻¹ 루미노시티와 14 TeV 중심질량 에너지에서, 질량이 ≤980 GeV인 이중적으로 양전하를 띠는 퀄티플렛 페르미온의 5σ 발견이 가능하다. e⁺e⁻ 콜라이더에서는 1000 fb⁻¹ 루미노시티와 MΣ ≤700 GeV 조건에서 단일 양전하 페르미온의 5σ 발견이 가능하다.

ABSTRACT

Large fermionic multiplets appear in different extensions of the Standard Model (SM), which are essential to predict small neutrino masses, relic abundance of the dark matter (DM) and the measured value of muon anomalous magnetic moment (muon (g-2)). Models containing quintuplet of fermions ($\Sigma$), along with other scalar multiplets, can address recent anomalies in the flavor sector while satisfying the constraints from the electroweak physics. In standard scenarios, the exotic fermions couple with the SM particles directly and there exists a strong limit on their masses from collider experiments such as the Large Hadron Collider (LHC). In this paper, we choose a particular scenario where the quintuplet fermions are heavier than the scalars, which is naturally motivated from the muon (g-2) data. A unique nature of these models is that they predict non-standard signatures at the colliders as the quintuplet fermions decay via the scalars once produced at the colliders. We study these non-standard interactions and provide alternative search strategies for these exotic fermions at the LHC and future linear colliders (such as $e^+e^-$ colliders). We also discuss their exclusion and discovery limits. For the doubly charged quintuplet fermion ($\Sigma^{\pm\pm}$), discovery is possible with 5$\sigma$ significance at integrated luminosity of 3000 fb$^{-1}$ at 14 TeV LHC if $M_\Sigma\leq 980$ GeV. For the singly charged quintuplet fermion ($\Sigma^\pm$), the discovery is challenging at LHC but there might be a possibility of 5 $\sigma$ discovery with 1000 fb$^{-1}$ luminosity at $e^+e^-$ collider for $M_\Sigma\leq 700$ GeV.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 입자로 직접 붕괴하지 않고 더 무거운 스칼라 입자를 통해 붕괴할 경우, 퀄티플렛 페르미온의 비표준 콜라이더 서명을 탐색하는 것.
• 질량 계층이 높아 직접 붕괴 채널이 억제되는 상황에서 이러한 고유한 페르미온을 탐지하는 데 도전하는 것.
• 더 깔끔한 환경과 높은 정밀도를 활용해 LHC 및 향후 e⁺e⁻ 선형 콜라이더에서 실현 가능한 탐색 전략을 제안하는 것.
• 실제 루미노시티 및 에너지 조건에서 단일 및 이중적으로 전하를 띠는 퀄티플렛 페르미온의 발견 및 배제 가능성을 평가하는 것.
• 향후 선형 콜라이더, 특히 γγ 및 e⁻γ 모드가 이러한 고유한 상태를 탐색하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 보여주는 것.

제안 방법

• μon (g-2) 데이터에 기반하여, 페르미온 퀄티플렛(Σ)이 스칼라 다중체(Φ, Φ̃)보다 더 무겁도록 하는 모델을 사용한다.
• 비표준 붕괴 체인 분석: 중간 스칼라 붕괴로 인해 Σ±± → Σ± ± → ℓ±ℓ± + 재료 또는 ℓ± + 재료로의 붕괴가 발생하며, 최종 상태에 따라 달라진다.
• LHC(pp 콜라이더) 및 e⁺e⁻ 콜라이더에서 몬테카를로 시뮬레이션과 이벤트 재구성 기법을 사용해 신호 및 배경 분석을 수행한다.
• 통계적 유의도(S/√B)와 기대 신호 대 배경 비율을 사용해 발견 및 배제 한계를 계산하며, 5σ를 발견 기준으로 한다.
• e⁺e⁻, γγ, e⁻γ 콜라이더의 생산 단면적을 계산하며, 다수의 렙톤과 재료를 포함한 최종 상태에 중점을 둔다.
• 중심질량 에너지 및 페르미온 질량에 따른 ℓ⁺ℓ⁻jj의 진동 질량 및 단면적의 운동학적 분포를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 무거운 스칼라 입자를 통해 붕괴할 경우, 표준모형 입자로 직접 붕괴하지 않는 퀄티플렛 페르미온의 주요 콜라이더 서명은 무엇인가?
• RQ2 다양한 루미노시티 및 에너지 조건에서 LHC와 e⁺e⁻ 콜라이더 간에 이중적으로 전하를 띠는 퀄티플렛 페르미온의 발견 가능성을 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ3 LHC에서 배경이 높아 탐지에 실패할 경우, e⁺e⁻ 콜라이더가 단일 전하를 띠는 퀄티플렛 페르미온에 대해 실현 가능한 발견 채널을 제공할 수 있는가?
• RQ4 향후 선형 콜라이더에서 단일 및 이중적으로 전하를 띠는 퀄티플렛 페르미온의 5σ 발견을 위해 필요한 통합 루미노시티는 얼마인가?
• RQ5 광자 콜라이더 모드(γγ, e⁻γ)는 이러한 고유한 페르미온의 생산 단면적과 발견 가능성을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 이중적으로 양전하를 띠는 퀄티플렛 페르미온(Σ±±)의 경우, 14 TeV 중심질량 에너지와 3000 fb⁻¹ 루미노시티 조건에서 LHC에서 질량이 ≤980 GeV일 경우 5σ 발견이 가능하다.
• 동일한 루미노시티 및 에너지 조건에서 LHC는 Σ±±의 존재를 최대 1.2 TeV까지 배제할 수 있다.
• 단일적으로 전하를 띠는 퀄티플렛 페르미온(Σ±)의 경우, LHC에서는 배경이 높아 5σ 발견이 어려우나, 1000 fb⁻¹ 루미노시티와 MΣ ≤700 GeV 조건에서 e⁺e⁻ 콜라이더에서는 발견이 가능하다.
• e⁺e⁻ 콜라이더 분석의 채널(A)는 뛰어난 발견 가능성을 보이며, MΣ ≤700 GeV에서 ≤20 fb⁻¹ 루미노시티로 5σ 발견이 가능하다.
• e⁺e⁻ 콜라이더의 채널(B)에서 95% 배제 한계는 100 fb⁻¹ 미만의 루미노시티로도 달성 가능하여 높은 감도를 보인다.
• e⁺e⁻ 콜라이더에서 Σ±±의 생산 단면적은 중심질량 에너지가 약 1–1.5 TeV에서 최대에 도달하며, MΣ = 600 GeV일 경우 약 ~0.5 pb에 이른다.