[논문 리뷰] Experimental and cosmological constraints on heavy neutrinos

Marco Drewes, Björn Garbrecht|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 195인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 파이온과 W 보손 질량 사이의 저에너지 스케일 세우 모델을 조사하며, 세 개의 오른쪽 손자성 뉴트리노를 포함하여 중성자기복과 기초 대칭성 비대칭을 설명할 수 있음을 보여준다. 실험적 제약과 천체물리적 제약을 통합하여, LHCb, BELLE II, SHiP 및 특히 향후 원형 충돌기에서 질량이 몇 GeV 정도일 경우 발견 가능성을 예측한다.

ABSTRACT

We study experimental and cosmological constraints on the extension of the Standard Model by three right handed neutrinos with masses between those of the pion and W-boson. This low scale seesaw scenario allows to simultaneously explain the observed neutrino oscillations and baryon asymmetry of the universe. We combine indirect experimental constraints from neutrinoless double $\beta$-decay, lepton flavour violation and neutrino oscillation data with bounds from past direct searches and big bang nucleosynthesis. For masses of a few GeV the heavy right handed neutrinos can be found in meson decays at LHCb, BELLE II or the proposed SHiP experiment, for larger masses they can be searched for in ATLAS and CMS. The chances for a discovery would be even better at a Future Circular Collider.

연구 동기 및 목표

• 오른쪽 손자성 뉴트리노를 포함한 저에너지 스케일 세우 메커니즘의 타당성을 탐색하여, 활성 중성자기복의 질량 생성과 기초 대칭성 비대칭을 연결한다.
• 이러한 무거운 뉴트리노가 무이론적 이중베타 붕괴, 렙톤 밀도 위반, 직접 탐색 실험에서의 기존 제약과 호환되는지 평가한다.
• 빅뱅 핵합성(BBN)에서의 천체물리적 제약을 적용하여, 무거운 오른쪽 손자성 뉴트리노의 성질과 붕괴 수명을 제한한다.
• LHCb, BELLE II, SHiP, 향후 원형 충돌기와 같은 최적의 발견 채널과 실험 설정을 식별하여 이러한 무거운 뉴트리노를 탐지할 수 있는 가능성을 평가한다.

제안 방법

• 무거운 오른쪽 손자성 뉴트리노의 혼합 매개변수를 제한하기 위해 중성자기복 데이터, 무이론적 이중베타 붕괴, 렙톤 밀도 위반에서 유도된 간접적 제약을 통합한다.
• 과거 실험에서의 직접 탐색 제약을 통합하여 메손 붕괴 및 고에너지 충돌에서의 무거운 뉴트리노 생성 및 붕괴 확률을 제한한다.
• 빅뱅 핵합성(BBN) 제약을 적용하여, 경량 원소 농도에 영향을 주지 않도록 무거운 뉴트리노의 붕괴 너비와 수명을 제한한다.
• 생산 단면적과 붕괴 서명을 모델링하여 특정 실험(LHCb, BELLE II, SHiP, ATLAS, CMS)에서의 무거운 뉴트리노 발견 가능성을 평가한다.
• 더 높은 루미노시티와 에너지를 갖는 향후 원형 충돌기(FCC)에서의 발견 가능성을 예측하며, 감도 향상을 추정한다.
• 세 개의 오른쪽 손자성 뉴트리노를 포함한 세우 메커니즘을 사용하여 작고 활성 중성자기복의 질량을 생성하고, 기초 대칭성 비대칭을 가능하게 하는 렙톤 생성 메커니즘을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량이 몇 GeV 정도인 오른쪽 손자성 뉴트리노를 포함한 저에너지 스케일 세우 모델이 동시에 중성자기복과 관측된 기초 대칭성 비대칭을 설명할 수 있는가?
• RQ2 무이론적 이중베타 붕괴, 렙톤 밀도 위반, 빅뱅 핵합성에서의 병합 제약이 무거운 오른쪽 손자성 뉴트리노의 혼합 및 질량 매개변수에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 LHCb, BELLE II, SHiP 또는 향후 원형 충돌기 중에서 어느 실험 시설이 질량이 몇 GeV 정도인 무거운 오른쪽 손자성 뉴트리노를 탐지할 수 있는 최적의 기회를 제공하는가?
• RQ4 과거 실험에서의 직접 탐색 제약이 이 모델에서의 무거운 뉴트리노의 타당한 매개변수 공간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 현재 LHC 실험에 비해 향후 충돌기인 FCC에서의 발견 가능성이 어떻게 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 질량이 몇 GeV 정도인 무거운 오른쪽 손자성 뉴트리노는 LHCb, BELLE II 및 제안된 SHiP 실험에서 발견 가능성이 있다.
• 더 높은 질량에서는 LHC의 ATLAS 및 CMS 실험에서 고에너지 프로톤 충돌을 통해 탐지 가능한 채널이 존재한다.
• 향후 원형 충돌기(FCC)는 더 높은 루미노시티와 에너지를 바탕으로 발견 가능성을 크게 향상시킬 것으로 예측된다.
• 빅뱅 핵합성(BBN)에서의 천체물리적 제약은 무거운 뉴트리노의 붕괴 너비와 수명을 제한하여 그 농도와 경량 원소 합성에 미치는 영향을 제한한다.
• 무이론적 이중베타 붕괴 및 렙톤 밀도 위반에서의 간접적 제약은 큰 혼합 각도에 대한 허용 가능한 매개변수 공간을 추가로 좁힌다.
• 이 모델은 세 개의 오른쪽 손자성 뉴트리노를 포함한 세우 메커니즘을 통해 작은 중성자기복 질량과 기초 대칭성 비대칭을 통합적인 저에너지 설명으로 연결한다.