[논문 리뷰] Disambiguating Seesaw Models using Invariant Mass Variables at Hadron Colliders

P. S. Bhupal Dev, Doojin Kim외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 힉런 콜라이더에서 동일 전하의 이중 렙톤 및 이중 제트 신호를 통해, 단일 뉴트리노를 포함하는 표준모형과 좌우 대칭 모형이라는 두 가지 테브 스케일의 시즈모델을 구분하기 위해 불변 질량 변수를 이용한 운동역학적 종점 분석을 제안한다. 운동역학적 종점 간의 서로 다른 위상 구조적 관계를 활용함으로써, 이 방법은 모형 식별과 새로운 공명 상태의 직접 질량 측정을 가능하게 하며, 검출기 효과를 고려한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었고, 향후 14 및 100 테브 콜라이더에 대해 예측되었다.

ABSTRACT

We propose ways to distinguish between different mechanisms behind the collider signals of TeV-scale seesaw models for neutrino masses using kinematic endpoints of invariant mass variables. We particularly focus on two classes of such models widely discussed in literature: (i) Standard Model extended by the addition of singlet neutrinos and (ii) Left-Right Symmetric Models. Relevant scenarios involving the same "smoking-gun" collider signature of dilepton plus dijet with no missing transverse energy differ from one another by their event topology, resulting in distinctive relationships among the kinematic endpoints to be used for discerning them at hadron colliders. These kinematic endpoints are readily translated to the mass parameters of the on-shell particles through simple analytic expressions which can be used for measuring the masses of the new particles. A Monte Carlo simulation with detector effects is conducted to test the viability of the proposed strategy in a realistic environment. Finally, we discuss the future prospects of testing these scenarios at the $\sqrt s=14$ and 100 TeV hadron colliders.

연구 동기 및 목표

• 동일한 충돌 기록을 가진 두 가지 주요 테브 스케일 시즈모델—단일 뉴트리노를 포함하는 표준모형과 좌우 대칭 모형—을 동일한 기록으로 식별하기.
• 동일한 최종 상태(ℓ⁺ℓ⁺jj 또는 ℓ⁻ℓ⁻jj)를 가짐에도 불구하고 모형을 구분할 수 있는 고유한 운동역학적 종점 패턴을 규명하기.
• 운동역학적 종점에서 유도된 해석식을 통해 새로운 입자의 질량을 측정할 수 있는 일반화 가능한 방법 개발하기.
• 검출기 효과를 포함한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 현실적인 검출 환경에서의 방법 검증하기.
• 향후 고에너지 힉런 콜라이더(14 테브 및 100 테브)에서의 발견 가능성을 예측하기.

제안 방법

• 이 방법은 동일 전하의 이중 렙톤 및 이중 제트를 포함하는 사건에서 불변 질량 변수(mℓℓ, mℓj, mℓℓj 등)의 운동역학적 종점을 분석하는 데 기반한다.
• 모든 최종 상태 입자가 단일의 비틀림 상태(parent) 입자에서 유래하고, 부재한 입자가 횡방향 에너지 결손에 기여하지 않는다고 가정한다.
• 관련 공명 상태의 질량 비율에 기반한 운동역학적 종점에 대한 해석식을 유도하여, 비틀림 상태 공명 입자의 질량을 직접 추출할 수 있다.
• 이 접근법은 단일 뉴트리노를 포함하는 표준모형과 좌우 대칭 모형이라는 두 가지 벤치마크 모델에 적용되었으며, 이는 서로 다른 종점 패턴을 생성한다.
• 실제 조건에서의 방법의 강건성을 시험하기 위해 검출기 효과를 포함한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 전략은 향후 콜라이더 에너지(14 테브 및 100 테브)로 확장되어, 각각 최대 5.5 테브 및 32 테브까지의 무거운 게이지 보손(WR)에 대한 감도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 모형 모두 동일한 ℓ⁺ℓ⁺jj 또는 ℓ⁻ℓ⁻jj 충돌 기록을 생성할 경우, 불변 질량 변수가 단일 뉴트리노를 포함하는 표준모형과 좌우 대칭 모형을 유일하게 식별할 수 있는가?
• RQ2 각 시즈모델의 고유한 운동역학적 종점 관계는 무엇이며, 이는 이벤트 위상 구조에서 어떻게 다를까?
• RQ3 실제 검출기 조건에서 운동역학적 종점에 의해 새로운 무거운 공명 상태(WR, 무거운 뉴트리노 등)의 질량을 얼마나 정확히 측정할 수 있는가?
• RQ4 √s = 14 테브 및 100 테브 조건에서 향후 힉런 콜라이더에서 이러한 모형의 발견 가능성이 어떻게 되는가?
• RQ5 실제 시뮬레이션 환경에서 검출기 효과 및 배경 오염에 대해 이 방법의 강건성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 동일한 최종 상태 기록이 존재하더라도, 운동역학적 종점 간의 서로 다른 관계를 기반으로 이 방법은 두 시즈모델을 성공적으로 식별할 수 있었다.
• mℓℓ, mℓj, mℓℓj의 운동역학적 종점은 각 모형에서 고유한 패턴을 보이며, 종점 비율을 통한 모형 식별이 가능하다.
• 종점에 대한 해석식은 비틀림 상태 공명 입자(예: WR, 무거운 뉴트리노)의 질량을 직접 측정할 수 있도록 한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검출기 효과가 있는 현실 조건에서도 방법의 타당성이 확인되었으며, 종점 구조의 해상도 유지가 가능했다.
• √s = 14 테브, 300 fb⁻¹ 조건에서 이 방법은 약 5.5 테브까지의 WR 보손 질량을 탐색할 수 있으며, √s = 100 테브, 1 ab⁻¹ 조건에서는 약 32 테브까지의 탐색 가능성이 확보되었다.
• 이 방법은 뉴트리노 질량 기원을 탐색하고, 무이차 이중베타 붕괴 및 렙톤 수형 위반과 같은 관련 관측량을 제약하는 강력한 도구를 제공한다.