[논문 리뷰] Lepton Number Violation: Seesaw Models and Their Collider Tests

Yi Cai, Tao Han외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 281인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 렙톤 수반 위반을 통한 미세한 중성미오 질량을 생성하는 데 유력한 프레임워크로 여겨지는 시즈모델(Type I, II, III)을 검토하며, 실험적 탐지에 적합한 충돌기 신호를 제안한다. $e^+e^-$, $ep$, $pp$ 충돌기에서의 렙톤 수반 위반 신호에 대한 업데이트된 예측을 제시하며, 생산 및 붕괴 채널을 강조하고, 가용한 몬테카를로 도구를 사용하여 향후 충돌기에서 몇 테바볼트 이내의 발견 가능 범위를 규명한다.

ABSTRACT

The Majorana nature of neutrinos is strongly motivated from the theoretical and phenomenological point of view. A plethora of neutrino mass models, known collectively as Seesaw models, exist that could generate both a viable neutrino mass spectrum and mixing pattern. They can also lead to rich, new phenomenology, including lepton number non-conservation as well as new particles, that may be observable at collider experiments. It is therefore vital to search for such new phenomena and the mass scale associated with neutrino mass generation at high energy colliders. In this review, we consider a number of representative Seesaw scenarios as phenomenological benchmarks, including the characteristic Type I, II, and III Seesaw mechanisms, their extensions and hybridizations, as well as radiative constructions. We present new and updated predictions for analyses featuring lepton number violation and expected coverage in the theory parameter space at current and future colliders. We emphasize new production and decay channels, their phenomenological relevance and treatment across different facilities in $e^+e^-$, $e^-p$ and $pp$ collisions, as well as the available Monte Carlo tools available for studying Seesaw partners in collider environments.

연구 동기 및 목표

• 타입 I, II, III 시즈모델이 렙톤 수반 위반의 실현으로서 현상학을 체계적으로 분석하는 것.
• 다양한 충돌기에서 시즈파트너와 관련된, 특히 렙톤 수반 위반 과정에 해당하는 충돌기 신호를 규명하고 특성화하는 것.
• 현재 및 향후 충돌기 데이터를 바탕으로 시즈모델의 매개변수 공간에 대한 업데이트된 커버리지 제공.
• 시즈입자 생산 및 붕괴를 시뮬레이션하기 위해 가용한 몬테카를로 도구를 정리하고 권장하는 것.
• 현재 및 향후 충돌기의 감도를 시즈모델의 새로운 물리 스케일, 특히 복사 중성미오 질량 메커니즘에 대해 평가하는 것.

제안 방법

• 효율적 장 이론을 통해 최소 시즈 메커니즘(Type I, II, III)을 분석하며, UV 완성으로서의 차원-5 Weinberg 연산자를 중심으로 한다.
• pp, $e^+e^-$, $ep$ 충돌에서 시즈파트너(예: 무거운 중성/전자 렙톤, 이중적으로 양전하를 가진 힉스)의 생산 및 붕괴율을 유도한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 신호 이벤트를 모델링하고, LHC 및 그 이상에서 $M_N \gtrsim 800$ GeV인 경우의 발견 가능 범위를 추정한다.
• 중성미오 진동 데이터 및 저에너지 실험의 제약 조건을 평가하여 벤치마크 시나리오를 고정한다.
• 이중적으로 전하를 가진 스칼라와 렙토쿼크를 포함한 하이브리드 시즈모델 및 복사 모델(예: Zee-Babu)을 고려한다.
• 운동학적 및 분해비율 제약 조건을 적용하여 직접 탐색에 적합한 신호 토폴로지(예: 같은 전하의 이중 렙톤, 제트 + 렙톤)를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 타입 I, II, III 시즈모델에서 시즈파트너의 주요 충돌기 생산 및 붕괴 채널은 무엇인가?
• RQ2 현재 및 향후 충돌기(LHC, 향후 $pp$ 충돌기, $e^+e^-$, $ep$ 기계)는 시즈모델의 매개변수 공간를 어떻게 커버하는가?
• RQ3 렙톤 수반 위반 최종 상태에서 무거운 중성 렙톤, 이중적으로 전하를 가진 힉스 보손, 벡터형으로서의 삼중 렙톤에 대한 감도는 어떻게 되는가?
• RQ4 시즈모델의 플레버 구조는 렙톤 플레버 위반 과정에 어떤 영향을 미치며, 이는 렙톤 수반 위반 신호와 비교해 볼 때 관측 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 LHC 및 향후 충돌기에서 Zee-Babu 모델과 같은 복사 시즈모델의 주요 서명과 발견 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 13 TeV에서의 현재 LHC 탐색 결과는 타입 I 및 III 시즈모델의 맥락에서 약 800 GeV 이하의 무거운 중성 렙톤을 배제하고 있다.
• LHC는 타입 II 시즈모델에서 이중적으로 전하를 가진 힉스 보손에 대해 $M_{H^{\pm\pm}} \gtrsim 800$ GeV의 하한선을 설정하였으며, 빛의 밀도와 에너지 업그레이드로 인해 1 테바볼트를 초과하는 감도가 기대된다.
• 향후 100 테바볼트 $pp$ 충돌기는 몇 테바볼트에 이르는 시즈파트너를 탐색할 수 있으며, LHC에 비해 훨씬 더 넓은 탐색 범위를 제공한다.
• Zee-Babu 모델에서 ATLAS는 동일 전하의 이중 렙톤로의 전체 분해비율을 가진 $k^{\pm\pm}$의 질량이 660–760 GeV 이하인 경우를 배제하였다. 고광도 LHC는 약 1 테바볼트까지 감도를 확보할 것으로 기대된다.
• 색을 가진 스칼라 또는 렙토쿼크를 포함한 복사 시즈모델은 같은 전하의 이중 렙톤 + 제트 최종 상태를 생성하며, 이는 아직 탐색이 부족하지만 유망한 발견 채널을 제공한다.
• 시즈모델에서의 렙톤 플레버 위반 과정는 렙톤 수반 위반 신호보다 빈도가 높은 경우가 많으며, 이는 고에너지 및 저에너지 실험 모두에서 더 접근 가능하다.