[논문 리뷰] Experimental Constraints on Higgs Boson Decays to TeV-scale Right-Handed Neutrinos

Michael L. Graesser|arXiv (Cornell University)|2007. 05. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 33인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 높은 차수의 연산자에 의해 TeV 스케일의 오른쪽 히iggs 보손이 우측 히iggs 보손으로 붕괴되는 현상을 조사하며, 이로 인해 두 개의 이격된 꼬리점이 있는 여섯 개의 최종 상태 입자로의 계단식 붕괴가 발생하고, 각 꼬리점은 렙톤 수 위반을 일으킨다. 테바트론 실험 제약 조건에 따르면, 짧은 붕괴 길이(≤5 cm)와 순서 1의 분해율은 이미 배제되어 있으며, 더 긴 붕괴 길이는 아직 제약되지 않았지만 현재 탐지 가능 범위 내에 있다.

ABSTRACT

The existence of neutrino masses strongly suggests that right-handed neutrinos exist, but the data do not favor any particular scale for the Majorana mass parameters. Here I explore the possibility that these particles exist at the electroweak scale along with additional new physics at the TeV scale . Higher dimension operators involving right-handed neutrinos and the Higgs boson can introduce new decay modes of the Higgs boson, significantly modifying its phenomenology if it is light. With minimal flavor violation the Higgs boson cascade decays to 6 particles containing two highly displaced vertices. Each displaced vertex produces an odd number of leptons, leading to a dramatic signature of overall lepton violation at each vertex. I discuss the limits from the Tevatron, and find that they are close to exploring interesting regions of parameters, while limiting others. Moving beyond minimal flavor violation, cascade decays of the Higgs boson into as many as 14 particles can occur.

연구 동기 및 목표

• 높은 차수의 연산자가 TeV 스케일의 새로운 물리에 의해 유도될 때, 히iggs 보손이 오른쪽 히iggs 보손으로 붕괴하는 현상의 현상학적 특성을 조사하기 위해.
• 특히 이격된 꼬리점과 렙톤 수 위반을 통해, 이러한 붕괴가 테바트론에서 탐지 가능한지 평가하기 위해.
• 레프톤과 쿼크를 포함한 다양한 최종 상태로 오른쪽 히iggs 보손 붕괴에 대한 모델 독립적인 분해율을 유도하기 위해.
• 기존의 테바트론 검색 결과가 이 시나리오의 매개변수 공간을 얼마나 제약하는지 평가하기 위해.
• 특히 긴 붕괴 길이를 포함한 매개변수 공간의 영역이 현재 및 향후 콜라이더 실험에서 탐지 가능한지 식별하기 위해.

제안 방법

• TeV 스케일의 새로운 물리에 의해 유도되는 히iggs 보손과 오른쪽 히iggs 보손을 포함하는 고차원 연산자를 모델링하기 위해 효과적 장 이론을 사용함.
• 페르미 상수와 결합 상수를 사용하여, 오른쪽 히iggs 보손의 렙톤 쌍, 쿼크 쌍, 중성미오 최종 상태로의 붕괴에 대해 모델 독립적인 분해율을 유도함.
• 피에르츠 변환을 적용하고, 전하 및 중성미오 전류 붕괴의 진폭을 계산하며, 양자 간섭 효과를 고려함.
• 공식 $ \Gamma = \frac{G_F^2 M^5}{192\pi^3} |D_{JI}|^2 \times \text{kinematic factors} $ 를 사용하여, 오른쪽 히iggs 보손이 전하 렙톤 쌍, 중성미오, 쿼크를 포함한 최종 상태로 붕괴하는 붕괴 너비를 평가함.
• 특히 온쉘 영역에서, 유한한 W 및 Z 보손의 너머가 붕괴 비율에 미치는 영향을 고려함.
• 이중 이격된 꼬리점과 고레프톤 다수성을 가진 서명에 초점을 맞춘 테바트론의 운동학적 탐지 범위를 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 높은 차수의 연산자가 TeV 스케일에서 존재할 경우, 히iggs 보손이 오른쪽 히iggs 보손으로 붕괴하는 주요 붕괴 모드는 무엇인가?
• RQ2 수명이 긴 오른쪽 히iggs 보손이 발생시키는 이격된 꼬리점은 히iggs 계단식 붕괴에서 어떻게 렙톤 수 위반 서명을 생성하는가?
• RQ3 레프톤과 쿼크를 포함한 다양한 최종 상태로 오른쪽 히iggs 보손 붕괴에 대한 모델 독립적인 분해율은 무엇인가?
• RQ4 기존의 테바트론 검색 결과는 히iggs 보손이 TeV 스케일의 오른쪽 히iggs 보손으로 붕괴하는 매개변수 공간을 어느 정도 제약하는가?
• RQ5 특히 긴 붕괴 길이를 포함한 매개변수 공간의 어떤 영역이 여전히 실험적으로 접근 가능한가?

주요 결과

• 테바트론 검색 결과는 평균 붕괴 길이가 2–5 cm이고 분해율이 순서 1인 오른쪽 히iggs 보손으로의 히iggs 보손 붕괴를 이미 제약하고 있으며, 이러한 붕괴는 아마도 열등한 기여를 하는 것으로 보인다.
• 10 cm 이상의 붕괴 길이는 아직 테바트론 데이터로는 제약되지 않았지만, 이 영역의 생성률은 현재 탐지 임계값에 매우 가까운 편이다.
• 히iggs 보손은 두 개의 이격된 꼬리점을 통해 여섯 개의 최종 상태 입자로 계단식 붕괴될 수 있으며, 각 꼬리점은 홀수 개의 렙톤을 생성하여 전체적으로 렙톤 수 위반을 초래한다.
• 전하 렙톤 쌍과 중성미오로의 오른쪽 히iggs 보손 붕괴 너비는 전하 전류 및 중성전류 진폭 간의 양자 간섭으로 인해 증가하며, 30 GeV에서 약 10% 증가하고 50 GeV에서 약 50% 증가한다.
• 낮은 에너지 근사에서 $ N_I \to l_J^- l_J^+ \nu_J $ 의 총 붕괴 비율은 간섭을 고려할 경우 0.59 비례하며, 이는 비상관 합계인 1.07보다 현저히 낮다.
• 같은 품종의 렙톤으로의 오른쪽 히iggs 보손 붕괴는 간섭으로 인해 억제되며, 다른 품종의 렙톤과 쿼크로의 붕괴는 $ (g_L^{(K)})^2 + (g_R^{(K)})^2 $ 의 조합에 의해 지배되며, 이는 분해율 분포에 영향을 준다.