[논문 리뷰] Dilepton events with displaced vertices, double beta decay, and resonant leptogenesis with Type-II seesaw dominance, TeV scale $Z'$ and heavy neutrinos

Bidyut Prava Nayak, M. K. Parida|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중성미자 무이중베타붕괴, 공진형 리프토제네시스, 이심한 정점 이전자 신호를 동시에 설명하는, 타입-II 시즈드 지배의 SO(10) 대통합 모델을 제안한다. TeV 스케일의 $Z'$ 보손과 무거운 비온성 중성미자를 포함하며, 이는 양성미자 질량, 기초 대칭성 위반, 맛 위반을 통합적으로 설명하는 검증 가능한 프레임워크를 제공한다. 1–10 GeV 정도의 제1 또는 제2세대 비온성 중성미자가 중성미자 무이중베타붕괴와 같은전하 이전자 이벤트(예: $eejj$, $μμ jj$)를 매개하며, 표준모형 배경가 억제된 상태에서 작용한다. 공진형 리프토제네시스는 약 500 GeV의 질량을 가진 쿼드러플리스터 중성미자 쌍을 통해 실현되며, 이는 기초 대칭성 위반, 중성미자 질량, 맛 위반을 통합적으로 설명하는 검증 가능한 이론적 틀을 제공한다.

ABSTRACT

In a class of Type-II seesaw dominated $SO(10)$ models proposed recently with heavy neutrinos, extra $Z'$ boson, and resonant leptogenesis, at first we show that the lightest first generation sterile neutrino that mediates dominant contributions to neutrinoless double beta decay also generates the displaced vertex leading to verifiable like-sign di-electron as well as di-muon production events outside the LHC detectors having suppressed standard model back-ground and missing energy. Resonant leptogenesis in this case is implemented by a pair of quasi-degenerate sterile neutrinos of the second and the third generations having masses of ${\cal O}(500)$ GeV. Then we predict a new alternative scenario where the models allow the second generation sterile neutrino mass to be ${\cal O}(10)$ GeV capable of mediating the dominant double beta decay as well as the displaced vertices for significantly improved number of like-sign dilepton events in different channels. Resonant leptogenesis in this alternative scenario is mediated by a pair of heavy quasi-degenerate sterile neutrino masses of the first and the third generations. In addition to QD type light neutrino mass hierarchy, we also show how these results are derived for the NH case. We also discuss $Z'$ production cross sections at $\sqrt s =14 $ TeV run-II of LHC and also at ILC. While the lepton flavour violating branching ratios are only few to four orders less than the current experimental bounds, proton lifetime predictions are accessible to ongoing Super K. or Hyper K. searches.

연구 동기 및 목표

• 타입-II 시즈드 지배를 통해 중성미자 질량 생성, 기초 대칭성 위반, 렙톤 맛 위반을 하나의 이론 틀 안에서 통합적으로 설명하는 것.
• 이중베타붕괴와 이심한 정점 이전자 이벤트를 동시에 매개할 수 있는 타당한 비온성 중성미자 질량(~1–10 GeV)을 규명하는 것.
• 관측된 기초 대칭성 위반과 일치하는 약 500 GeV의 질량을 가진 쿼드러플리스터 중성미자 쌍을 통해 공진형 리프토제네시스를 실현하는 것.
• LHC 및 ILC에서 관측 가능한 $Z'$ 신호를 예측하고, 횡단단면 및 분해비율이 현재 진행 중인 실험으로 검증 가능하도록 하는 것.
• 초기 우주론적 제약 조건(양성미자 질량 계층 구조: NH 및 QD)과 Super-K/Hyper-K에서 측정 가능한 양성자 수명 예측과의 일치성을 확보하는 것.

제안 방법

• TeV 스케일의 $Z'$를 포함하는 비-SUSY SO(10) 모델에서, 대칭성 붕괴 체인 $SO(10) \to G_{2213D} \to G_{2113} \to SM$을 통합한다.
• 좌측 트리플렛 $\Delta_L$ 의 유도된 진공 기대값을 통해 타입-II 시즈드 지배를 실현하고, 미세조정을 통해 선형 시즈드 항목을 억제한다.
• 약 1–10 GeV의 비온성 중성미자 질량을 활용해, 중성미자 무이중베타붕괴와 $l^+l^-jj$ 최종 상태에서의 이심한 정점에 대한 주요 기여를 매개한다.
• 다른 세대에서 온 약 500 GeV의 질량을 가진 쿼드러플리스터 중성미자 쌍을 통해 공진형 리프토제네시스를 실현하며, 렙톤 맛에 대한 비대칭적 결합을 적용한다.
• LHC($\sqrt{s} = 14$ TeV) 및 ILC에서의 $Z'$ 생성 횡단단면을 계산하고, 피크 구조 탐지에 초점을 맞춘 $l^+l^-$ 및 $W^+W^-$ 최종 상태를 분석한다.
• 비단위성 효과 및 LFV 분해비율을 적용하여 모델 매개변수를 실험 제약 조건에 맞추고, Super-K/Hyper-K 실험에서 검증 가능한 양성자 수명을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 SO(10) 모델에서 타입-II 시즈드 지배를 통해 중성미자 무이중베타붕괴, 이심한 정점 이전자 신호, 공진형 리프토제네시스를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 표준모형 배경가 억제된 상태에서 이중베타붕괴와 같은전하 이전자 이벤트를 매개할 수 있는 타당한 비온성 중성미자 질량은 무엇인가?
• RQ3 쿼드러플리스터 중성미자 쌍을 통해 공진형 리프토제네시스를 실현하면서 기초 대칭성 위반과 중성미자 진동 데이터와의 일치성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 LHC 및 ILC에서 관측 가능한 $Z'$ 신호는 무엇이며, 표준모형 배경과 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ5 모델의 양성자 수명 및 렙톤 맛 위반 예측은 현재 실험 제약 조건과 향후 실험 감도와 일치하는가?

주요 결과

• 약 1–10 GeV의 비온성 중성미자는 중성미자 무이중베타붕괴에 대한 주요 기여를 매개하며, $eejj$, $\mu\mu jj$, $e\mu jj$ 최종 상태에서의 이심한 정점 신호를 생성하며, 표준모형 배경가 억제된 상태에서 작용한다.
• 이온 $eejj$ 채널은 두 번째 전자의 낮은 운동량 절단 조건이 필요로 하며, $e\tau jj$ 및 $\mu\mu jj$ 채널은 50–300 fb$^{-1}$의 루미노시티에서 상당한 사건 수를 예측한다.
• 공진형 리프토제네시스는 첫 번째 시나리오에서 제2 및 제3세대에서 유래한 약 500 GeV의 쿼드러플리스터 중성미자 쌍을 통해 실현되며, 보조 시나리오에서는 제1 및 제3세대에서 유래한다.
• 질량 $M_{Z'} = 3.5$ TeV인 $Z'$ 보손은 $l^+l^-$ 채널에서 $0.52$ fb/GeV의 피크 횡단단면을 예측하며, 중간 루미노시티에서도 검출 가능한 공진 구조를 가진다.
• 렙톤 맛 위반 분해비율은 현재 실험 제약 조건보다 수 개에서 수십 개의 주기 아래로 예측되며, 향후 실험에서 검증 가능하다.
• 양성자 수명 예측은 현재 진행 중인 Super-K 및 Hyper-K 탐색 범위 내에 있어, 모델의 검증 가능성과 강화된다.