[논문 리뷰] Heavy neutrino-antineutrino oscillations at colliders

Stefan Antusch, Eros Cazzato외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 무거운 중성자-반중성자 진동이 렙톤 수의 위반과 메이저라 중성자의 질량을 나타내는 신호임을 제안하며, 무거운 중성자가 장수하며 주점에서 이격된 곳에서 붕괴하는 경우, 고광도 LHC와 향후 콜라이더에서 관측될 수 있다고 주장한다. 이러한 관측은 중성자의 메이저라 성격에 대한 직접적 증거를 제공할 것이며, 낮은 스케일의 중성자 질량 생성 메커니즘에 대한 통찰을 제공할 것이다.

ABSTRACT

Heavy neutrino-antineutrino oscillations can naturally appear in mechanisms of low scale neutrino mass generation, where pairs of heavy neutrinos have almost degenerate masses. We discuss the case where the heavy neutrinos are sufficiently long-lived to decay displaced from the primary vertex, such that the oscillations of the heavy neutrinos into antineutrinos can potentially be observed at the (high-luminosity) LHC and at currently planned future collider experiments. The observation of these oscillations would have far-reaching consequences: it would, for instance, prove the existence of lepton number violation and the Majorana nature of neutrino masses, and it would allow a deep insight into the nature of the neutrino mass generation mechanism.

연구 동기 및 목표

• 장수하는 무거운 중성자가 거의 일치하는 질량을 가지며 콜라이더에서 그들의 반입자로의 진동을 나타낼 수 있는지 조사하기.
• 고광도 LHC와 계획된 향후 콜라이더 실험에서 이러한 진동을 관측할 수 있는지 가능성 평가하기.
• 이러한 관측이 렙톤 수의 위반과 중성자 질량의 메이저라 성격에 대한 결정적인 증거가 될 수 있음을 확립하기.
• 이격된 무거운 중성자 붕괴의 현상학적 특성과 낮은 스케일의 중성자 질량 생성 메커니즘 간의 연결 고리 설정하기.

제안 방법

• 거의 일치하는 질량을 가진 무거운 중성자 시스템을 모델링하여 중성자와 반중성자 상태 간의 진동 가능성을 확보하기.
• 콜라이더 과정에서 생성된 장수 무거운 중성자의 운동학적 특성과 붕괴 구조 분석하기.
• 중성자-반중성자 진동으로 인한 이격된 붕괴 점의 탐지 가능성 평가하기.
• 고에너지 콜라이더 환경에서의 무거운 메이저라 페르미온에 대해 중성자 진동 이론의 이론적 프레임워크 적용하기.
• 같은 전하의 이전자 이벤트와 이격된 점을 포함한 콜라이더 서명을 사용하여 진동 신호 식별하기.
• 현재 및 향후 콜라이더 실험의 이러한 진동 효과에 대한 감도 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 중성자-반중성자 진동이 고광도 LHC에서 관측될 수 있는가? 이는 중성자가 장수하며 주점에서 떨어진 곳에서 붕괴하는 경우에 한해 가능한가?
• RQ2 이러한 진동으로부터 유도되는 콜라이더 서명은 무엇이며, 배경 과정과 얼마나 구별 가능한가?
• RQ3 이러한 진동이 렙톤 수의 위반과 중성자 질량의 메이저라 성격을 탐지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 진동 역학은 중성자 질량의 낮은 스케일 생성 메커니즘과 어떻게 관련되어 있는가? 이 메커니즘은 무거운 메이저라 중성자를 포함한다.
• RQ5 향후 콜라이더 실험의 감도 한계는 이러한 진동을 탐지하는 데 있어 어느 정도인가?

주요 결과

• 무거운 중성자-반중성자 진동은 중성자가 충분히 장수하여 이격된 붕괴 점을 형성하는 경우 고광도 LHC와 향후 콜라이더에서 관측 가능하다.
• 이러한 진동의 관측은 렙톤 수의 위반을 직접적으로 증명하며, 중성자 질량의 메이저라 성격을 확인하는 데 기여한다.
• 이러한 진동 메커니즘은 거의 일치하는 질량을 가진 무거운 중성자 쌍이 포함된 낮은 스케일의 중성자 질량 생성 모델에서 자연스럽게 실현된다.
• 이격된 점 서명, 특히 같은 전하의 이전자 최종 상태는 이러한 진동을 탐지하기 위한 특징적인 신호를 제공한다.
• 이러한 진동의 탐지로 인해 중성자 질량 생성의 근본적인 메커니즘에 대한 깊은 통찰을 확보할 수 있다.
• 본 연구는 콜라이더 기반 중성자 진동 현상에 의한 표준모형을 초월한 물리학을 탐구할 수 있는 실현 가능한 실험적 길을 확립한다.