[논문 리뷰] Heavy Neutral Leptons and displaced vertices at LHC

Xabier Marcano|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 이산화점(DV) 탐색을 통한 무거운 중성 렙톤(HNL)의 발견 잠재력 재검토하며, 맛에 의존하는 결합으로 인해 $W$, $Z$, 그리고 힉스 보손 매개 과정을 포함한 모든 생성 채널을 고려하는 것이 중요하다는 점을 강조한다. 이는 빛의 렙톤을 통한 맛에 무관한 생성이 전체 매개변수 공간을 탐색하는 데 핵심적임을 보여주며, HNL 질량이 몇 GeV 정도일 경우 $|V_{\ell N}| \sim 10^{-7}$ 수준의 혼합도 탐지 가능함을 시사한다.

ABSTRACT

Heavy neutral leptons are present in many well-motivated beyond the Standard Model theories, sometimes being accessible at present colliders. Depending on their masses and couplings they could be long-lived and lead to events with displaced vertices, and thus to promising signatures due to low Standard Model background. We revisit the potential of the LHC to discover this kind of new particles via searches for displaced vertices, which can probe masses of few GeV for mixings currently allowed by experimental constraints. We also discuss the importance of considering all the possible production channels, including the production in association with light neutrinos, in order to fully explore this region of the parameter space.

연구 동기 및 목표

• 현재 실험 제약 조건과 일치하는 몇 GeV 수준의 질량과 혼합도를 가진 LHC의 무거운 중성 렙톤(HNL)에 대한 감도 평가.
• 낮은 표준모형 배경와 높은 발견 감도를 제공하는 이산화점(DV) 서명의 발견 잠재력 평가.
• 특히 $W$-매개 대비 $Z$/$H$-매개 채널을 비교함으로써 맛 구조가 HNL 생성 및 붕괴에 미치는 영향 조사.
• 맛에 무관한 생성, 즉 관련 빛의 렙톤 생성을 통한 맛에 무관한 생성이 전체 HNL 매개변수 공간을 탐색하는 데 필수적임을 입증.
• 단일, 이중, 또는 균등한 맛 혼합의 다양한 혼합 시나리오에서 DV 탐색의 감도 정량화.

제안 방법

• 세 개의 활성 렙톤과 하나의 스테리르 HNL을 포함하는 3+1 모델을 사용하며, HNL 질량 $m_N$과 혼합 매개변수 $V_{\ell N}$을 자유 매개변수로 간주.
• 총 붕괴 폭 $\Gamma_N \propto G_F^2 m_N^5 \sum_{\ell} |V_{\ell N}|^2$ 계산을 통해 HNL의 붕괴 길이를 도출하고, 이는 이산화점 서명의 잠재성을 결정함.
• $pp \to \ell N$ (이온화된 렙톤 동반) 및 $pp \to \nu N$ (렙톤 동반) 생성의 획득 단면적 평가, 운동량 조건은 $p_T > 25$ GeV 및 $|\eta| < 2.5$ 적용.
• 단일 맛 혼합($V_{eN}$만 존재), 이중 맛 혼합($|V_{eN}| = |V_{\mu N}|$), 균등한 세 맛 혼합의 세 벤치마크 시나리오 비교.
• 13 TeV LHC에서 $\mathcal{L} = 300~\text{fb}^{-1}$ 조건 하에 몽테카를로 시뮬레이션을 사용해 DV 이벤트 수 추정, 100 및 10,000 이벤트에 대한 등고선 도시.
• $W$-매개 및 $Z$/$H$-매개 생성의 상호보완성 분석을 통해 후자가 맛에 무관하고 전체 매개변수 공간 커버리지에 더 강력함을 입증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 제약 조건을 충족하는 몇 GeV 수준의 질량과 혼합도를 가진 HNL에 대해 LHC의 이산화점 탐색 감도는 어떠한가?
• RQ2 HNL 혼합의 맛 구조($V_{\ell N}$)가 $W$-매개 대비 $Z$/$H$-매개 생성 채널에서 발견 감도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 왜 관련 빛의 렙톤 생성을 통한 맛에 무관한 생성이 전체 HNL 매개변수 공간을 탐색하는 데 필수적인가?
• RQ4 다양한 혼합 패턴(단일, 이중, 또는 균등 혼합)이 관측 가능한 이산화점 이벤트 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 $pp \to \ell N$ 및 $pp \to \nu N$ 채널을 조합하여 HNL 매개변수 공간의 전체 커버리지 달성 가능할까?

주요 결과

• LHC는 $\mathcal{L} = 300~\text{fb}^{-1}$ 조건 하에 이산화점 서명을 가정할 경우, HNL 질량이 몇 GeV 수준일 경우 $|V_{\ell N}| \sim 10^{-7}$ 수준의 혼합도까지 탐지 가능하다.
• $pp \to \ell N$ 채널은 맛 구조에 매우 민감하다: 혼합이 여러 맛으로 분포할 경우 총 붕괴 폭은 증가하지만 생산률은 특정 $|V_{\ell N}|$에 의존하므로 감도가 크게 떨어진다.
• $pp \to \nu N$ 채널은 맛에 무관하다. 생산률과 총 붕괴 폭 모두 $\sum |V_{\ell N}|^2$ 조합에 의존하므로, 모든 혼합 시나리오에서 동일한 이벤트 수를 가진다.
• 이산화점 탐색을 통해 $pp \to \nu N$ 생성을 활용할 경우 특히 강력한데, 이는 HNL의 맛에 영향을 받지 않기 때문에 매개변수 공간 전체를 커버할 수 있기 때문이다.
• $W$-매개 채널은 단일 맛 혼합의 경우 가장 민감하지만, 혼합이 여러 맛으로 분포할 경우 감도가 떨어진다.
• $W$-매개 채널에서 맛의 희석으로 인한 감도 손실을 방지하기 위해 $pp \to \nu N$를 통한 맛에 무관한 생성이 상호보완적 커버리지 확보에 필수적이다.