[논문 리뷰] Optimal search reach for heavy neutral leptons at a muon collider

Krzysztof Mȩkała, Jürgen Reuter외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 다수의 테르바르 메이슨 질량 범위에서 무거운 중성 렙톤(HNL)을 탐색하는 데 있어 뮤온 충돌기가 전자-양전자 충돌기와 하드론 충돌기보다 뛰어난 성능을 보이며, 높은 에너지, 청소년 환경, 그리고 작은 혼합 매개변수에 대한 뛰어난 민감도 덕분에 최적의 탐색 범위를 제공함을 보여준다. 연구는 중심질량 에너지 이하의 비공명 상태 HNL 생성조차도 뮤온 충돌기가 다른 기계보다 뛰어나며, 특히 Z 보손의 피크를 넘는 질량에서 그러하다.

ABSTRACT

Neutrinos are the most elusive particles known. Heavier sterile neutrinos mixing with the standard neutrinos might solve the mystery of the baryon asymmetry of the universe. In this letter, we show that among all future energy frontier accelerators, muon colliders will provide the farthest search reach for such neutrinos for mass ranges above the Z pole into the multi-TeV regime, becoming the optimal machine for this kind of studies. We compare the performance of muon with electron colliders of the same machine energy and briefly discuss the complementarity in flavor space between the two types of accelerators.

연구 동기 및 목표

• 뮤온 충돌기가 다수의 테르바르 영역에서 무거운 중성 렙톤(HNL)을 탐지할 잠재력을 평가하는 것.
• 뮤온 충돌기의 HNL 탐지 민감도를 전자-양전자 충돌기 및 하드론 충돌기와 비교하는 것.
• Z 보손 피크를 넘는 질량을 가진 HNL, 특히 비공명 상태 생성을 포함한 뮤온 충돌기의 성능을 평가하는 것.
• 뮤온 충돌기와 전자-양전자 충돌기가 HNL 결합 제약 조건을 위해 풍미 공간에서 어떻게 상호보완적인지 탐색하는 것.

제안 방법

• 연구는 단일 무거운 디르락 뉴트리노(N)와 표준모형 렙톤 전부에 동일한 결합을 가지는 타입 I 시즈와 메커니즘을 사용하며, UFO 형식의 HeavyN 모델을 적용한다.
• 이벤트 생성은 WHIZARD 3.0.2를 사용하여 1차 순서로 수행되며, PYTHIA 6를 통한 파arton 샤워링 및 하드론화를 포함한다.
• 검출기 응답은 DELPHES 3.5.0를 사용하여 뮤온 충돌기 전용 검출기 카드를 활용해 시뮬레이션한다.
• 직접 질량 재구성에 초점을 맞춘 qqlν 서명(무거운 중성 렙톤이 qqℓ로 붕괴)을 분석 대상으로 삼는다.
• 교차단면은 t채널 W 교환을 통한 공명 상태 및 비공명 상태 HNL 생성(μ⁺μ⁻ → Nν)에 대해 계산되며, 루미노시티 및 에너지 스케일링을 적용한다.
• 3 테르바르 및 10 테르바르 뮤온 충돌기 운행에서 각각 1 ab⁻¹ 및 10 ab⁻¹의 통합 루미노시티로 혼합 매개변수 V²_lN에 대한 한계를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뮤온 충돌기에서 무거운 중성 렙톤의 최대 질량 탐색 범위는 다른 미래 충돌기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 ILC 및 CLIC과 같은 전자-양전자 충돌기와 비교해 뮤온 충돌기의 HNL 탐지 민감도는 어떠한가?
• RQ3 생산이 비공명 상태일 경우, 즉 중심질량 에너지 초과 질량에서조차도 뮤온 충돌기가 HNL을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 빔 편광, 루미노시티 스펙트럼, 빔 유도 배경이 e+e− 및 μ+μ− 충돌기 간 민감도 비교에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 뮤온 충돌기와 전자-양전자 충돌기 간의 상호보완성은 HNL 결합의 풍미 공간 제약 조건을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 10 테르바르에서 10 ab⁻¹의 통합 루미노시티를 가진 뮤온 충돌기는 다수의 테르바르 질량 범위에서 무거운 중성 렙톤에 대해 가장 민감한 탐색 범위를 확보한다.
• Z 보손 피크를 넘는 질량의 HNL에 대해, 뮤온 충돌기는 모든 미래 에너지 최전선 충돌기 중에서 가장 먼 탐색 범위를 제공한다.
• 중심질량 에너지 초과의 비공명 상태 HNL 생성조차도, 뮤온 충돌기는 하드론 충돌기보다 뛰어나며, 전자-양전자 기계보다도 뛰어난 민감도를 유지한다.
• 3 테르바르에서, 루미노시티 스펙트럼이 유리하고 빔 유도 배경이 적어, 뮤온 충돌기의 한계는 CLIC(3 테르바르, 4 ab⁻¹) 및 ILC(1 테르바르, 3.2 ab⁻¹)의 한계를 초월한다. 특히 높은 질량에서 그러하다.
• 3 테르바르에서 CLIC와 뮤온 충돌기 간의 한계 차이의 원인은 본질적인 성능의 차이가 아니라 통합 루미노시티, 빔 편광, 빔 스펙트럼 효과의 차이에 기인한다.
• 연구는 HNL이 공명 상태가 아니더라도, 작은 혼합 매개변수를 통한 고에너지 스케일 UV 완성 탐색에 있어 뮤온 충돌기가 최적임을 확인한다.