[논문 리뷰] Majorana Neutrino and $W_{R}$ at TeV scale $ep$ Colliders

Ü. Kaya, M. Ö. Sahin외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 좌우대칭 확장 내에서 예측되는 무거운 메이저라 네우트리노($N_e$)와 오른쪽 수손 $W_R$ 보손을 위한 향후 테바스케일 ep 충돌기의 발견 잠재력을 조사한다. 메이저라 성질에 기인한 배경 없는 과정 $e^{-}p \to e^{+}X$를 통해, 린액-제이에이치씨와 린액-피에스시 기반의 ep 충돌기가 ILC와 클릭과 같은 $e^+e^-$ 충돌기보다 훨씬 높은 $N_e$ 및 $W_R$ 질량을 탐색할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Production of heavy Majorana neutrino $N_{e}$ predicted by left-right symmetric extension of the Standard Model at future { ormalsize TeV} scale $ep$ colliders have been considered. In order to estimate potential of $ep$ colliders for $N_{e}$ search we consider back-groundless process $e^{-}p ightarrow e^{+}X$ which is consequence of Majorana nature of $N_{e}$. It is shown that { ormalsize linac-LHC} and { ormalsize linac-FCC} based $ep$ colliders will cover much wider regions of $N_{e}$ and $W_{R}$ masses than corresponding linear electron-positron colliders.

연구 동기 및 목표

• 좌우대칭 모델이 예측하는 향후 ep 충돌기의 무거운 메이저라 네우트리노($N_e$)와 오른쪽 수손 $W_R$ 보손의 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• 메이저라 성질에 기인한 배경 없는 과정 $e^{-}p \to e^{+}X$를 통해 $ep$ 충돌기의 $N_e$ 감도를 평가하기 위해.
• $N_e$ 및 $W_R$ 질량 탐색을 위한 $ep$ 충돌기의 물리적 탐색 범위를 $pp$ 및 $e^+e^-$ 충돌기와 비교하기 위해.
• 테바스케일에서 $N_e$ 및 $W_R$에 대한 감도를 극대화하기 위한 최적의 충돌기 구성 — 특히 린액-제이에이치씨 및 린액-피에스시 기반의 ep 충돌기 — 를 결정하기 위해.

제안 방법

• 좌우대칭 확장의 이론적 프레임워크로 $SU_L(2) \times SU_R(2) \times U(1)_{B-L}$ 모델을 사용한다.
• 배경 없는 $e^{-}p \to e^{+}X$ 과정을 통해 중심질량 에너지($\sqrt{s} = 1.3, 2.0, 4.0, 14.1$ TeV)에 따라 $m_{N_e}$ 및 $m_{W_R}$ 의 함수로 $N_e$ 생성 단면적을 계산한다.
• 와이즈R 보손 교환를 포함한 파이너먼 다이어그램을 사용하여 단면적을 계산하며, $N_e$ 의 메이저라 성질을 반영하기 위해 $1/2$ 요소를 적용한다.
• 통계 기준을 사용하여 발견 및 관측 한계를 결정한다: 발견는 $5\sigma$ 기준($25$개 예상 사건), 관측는 $3\sigma$ 기준($9$개 예상 사건).
• 제안된 충돌기 구성(예: ERL60-LHC, OPERL150-LHC, OPERL500-LHC, ERL60-FCC, FCC-e80 등)의 루미노시티 및 통합 루미노시티 값을 사용하여 $m_{N_e}$–$m_{W_R}$ 평면에서의 감도를 추정한다.
• $pp$, $ep$, $e^+e^-$ 충돌기 옵션 간 비교 분석을 수행하며, $N_e$ 탐지에 있어 운동역학적 및 루미노시티 우수성을 중점적으로 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 테바스케일 ep 충돌기는 ILC 및 클릭과 같은 $e^+e^-$ 충돌기보다 더 무거운 $N_e$ 및 $W_R$ 질량을 탐색할 수 있는가?
• RQ2 배경 없는 과정 $e^{-}p \to e^{+}X$ 는 표준 서명에 비해 메이저라 네우트리노 감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 린액-제이에이치씨 및 린액-피에스시 기반 ep 충돌기의 $N_e$ 및 $W_R$에 대한 상대적 발견 탐색 범위는 $pp$ 충돌기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 OPERL150-LHC, OPERL500-LHC, FCC-e80 등 특정 충돌기 구성 중에서 $m_{N_e}$–$m_{W_R}$ 평면에서 $N_e$ 및 $W_R$에 대한 감도가 가장 우수한 것은 무엇인가?
• RQ5 $N_e$ 질량이 $e^+e^-$ 기계의 운동역학적 한계를 초월할 때, $ep$ 충돌기가 $pp$ 충돌기보다 $N_e$ 탐지에서 우월한 질량 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 린액-제이에이치씨 및 린액-피에스시 기반의 $ep$ 충돌기는 ILC 및 클릭과 같은 $e^+e^-$ 충돌기보다 훨씬 높은 $N_e$ 및 $W_R$ 질량을 탐색할 수 있으며, 이는 각각 $m_{N_e} < 0.5$ TeV 및 $m_{N_e} < 1.5$ TeV로 운동역학적 한계에 걸려 있다.
• 0.5 TeV의 $N_e$ 질량과 8 TeV의 $W_R$ 질량 조건에서 ERL500-LHC 옵션은 $5\sigma$ 발견 한계에 도달하지만, LHC 단독으로는 $2\sigma$에도 도달하지 못한다.
• 2 TeV의 $N_e$ 질량과 27 TeV의 $W_R$ 질량 조건에서 OPERL1000-FCC 옵션은 $3\sigma$ 관측 수준에 도달하지만, FCC 단독으로는 $2\sigma$에도 도달하지 못한다.
• $e^{-}p \to e^{+}X$ 과정는 $N_e$ 의 메이저라 성질에 기인해 깔끔한 배경 없는 서명을 제공하며, 이는 $m_{N_e}$–$m_{W_R}$ 평면에서 고감도 탐색을 가능하게 한다.
• OPERL150-LHC 및 OPERL500-LHC 옵션은 OPL60 및 OPL140 옵션보다 더 넓은 영역을 커버하는 데서 뛰어난 감도를 보이며, $m_{N_e}$–$m_{W_R}}$ 평면에서 더 넓은 영역을 탐색할 수 있다.
• 특히 OPERL1000-FCC 구성이 포함된 FCC 기반 $ep$ 충돌기는 고질량 영역에서 $N_e$ 및 $W_R$의 발견 잠재력이 향상되며, $3\sigma$ 및 $5\sigma$ 발견 한계가 각각 $m_{N_e} \approx 2$ TeV 및 $m_{W_R} \approx 27$ TeV까지 연장된다.