[논문 리뷰] Perspectives to find heavy neutrinos with NA62

Marco Drewes, Jan Hajer외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 31.

Neutrino Physics Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 뉴트리노 진동 데이터를 활용하여 최소한의 타입 I 시즈모델에서의 맛 혼합 패턴을 제약하는 방식으로, NA62가 빔 덤프 모드에서 무거운 중성 뉴트리노(이하 HNL)에 대한 민감도를 평가한다. HNL 질량이 케이온과 D메손 사이일 경우, NA62는 현재 세계에서 가장 민감한 실험으로 밝혀졌으며, 타우 뉴트리노와의 결합 정도에 따라 민감도가 거의 두 개의 지수 차이로 변동된다.

ABSTRACT

The sensitivity of beam dump experiments to heavy neutrinos depends on the relative size of their mixings with the lepton flavours in the Standard Model. We study the impact of present neutrino oscillation data on these mixing angles in the minimal type I seesaw model. We find that current data significantly constrains the allowed heavy neutrino flavour mixing patterns. Based on this, we discuss the implications for the sensitivity of the NA62 experiment to heavy neutrinos when operated in the beam dump mode. We find that NA62 is currently the most sensitive experiment in the world for heavy neutrino masses between that of the kaon and the $D$-mesons. The sensitivity can vary by almost two orders of magnitude if the heavy neutrinos exclusively couple to the tau flavour, but depends only comparably weakly on the flavour mixing pattern within the parameter range preferred by light neutrino oscillation data.

연구 동기 및 목표

• NA62 실험의 빔 덤프 모드에서의 무거운 중성 뉴트리노(HNL)에 대한 민감도를 평가하기 위해.
• 현재의 뉴트리노 진동 데이터가 최소한의 타입 I 시즈모델에서 HNL의 맛 혼합 패턴을 어떻게 제약하는지 파악하기 위해.
• NA62의 민감도가 표준 모형 뉴트리노 라인(전자, 뮤온, 타우)과의 HNL 결합 정도에 따라 어떻게 달라지는지 평가하기 위해.
• 케이온과 D메손 사이의 질량 범위에서 NA62의 예측 민감도를 과거 및 향후 실험과 비교하기 위해.
• 특히 경량 뉴트리노 진동 데이터 제약 조건을 고려할 때, 맛 혼합 패턴이 HNL 탐지 가능성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• NA62의 빔 덤프 구성에서 HNL 생성 및 붕괴 운동역학을 모델링하기 위해 토이 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• Pythia 6.4를 사용하여 400 GeV 프로톤 빔이 고Z 목표체에 충돌할 때 발생하는 하드론 쇼워를 시뮬레이션하여, HNL 생성에 기여하는 c- 및 b-하드론 기여도를 결정하였다.
• 실제 NA62 검출기 기하학을 사용하여 HNL 붕괴 제품의 기하학적 수용율을 계산하였으며, 두 개의 양성전자 궤적을 포함한 최종 상태에 집중하였다.
• 식 $ N_{\text{obs}} = \sum_{I} n_{N,I} \sum_{f,f'} \text{BR}(N_i \to f^+f'^-X) \mathcal{A}_i(f^+f'^-X, M_i, U^2_{e,\mu,\tau}) \varepsilon(f^+f'^-X, M_i) $ 를 사용하여 사건 수를 계산하였으며, 여기서 $ \mathcal{A}_i $ 는 수용율이고 $ \varepsilon $ 는 검출 효율이다.
• 다양한 맛 혼합 패턴을 가진 6가지 시나리오(A–F)에 대해 민감도를 평가하였으며, $ 10^{18} $ POT를 가정하고 배경가 중시하지 않았다.
• 경량 뉴트리노 진동 데이터로 제약을 받는 혼합 행렬 $ \theta $ 와 HNL 결합 $ U_{ai}^2 $ 를 연결하기 위해 시즈모델을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 중성 뉴트리노의 맛 혼합 패턴은 빔 덤프 모드에서 NA62의 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 현재의 뉴트리노 진동 데이터는 최소한의 시즈모델에서 HNL의 허용 가능한 혼합 패턴을 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ3 NA62는 케이온과 D메손 사이의 질량을 가진 HNL에 대해 예측되는 민감도가 어떻게 되며, 과거 및 향후 실험과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ4 타우 레프톤과의 결합 강도에 비해 전자 및 뮤온 채널에 비해 민감도는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 현재의 진동 데이터 제약 조건을 고려할 때, $ U_{ei}^2 $, $ U_{\mu i}^2 $, $ U_{\tau i}^2 $ 의 상대적 크기에 따라 NA62의 민감도가 크게 영향을 받는가?

주요 결과

• NA62는 현재까지 케이온과 D메손 사이의 질량을 가진 무거운 중성 뉴트리노에 대해 세계에서 가장 민감한 실험으로 간주된다.
• 타우 뉴트리노와의 결합을 가지는 HNL에 대한 민감도는 과거 실험보다 거의 두 개의 지수 차이로 뛰어나다.
• 전자 또는 뮤온과의 결합을 가지는 HNL의 경우, 기대되는 민감도 향상은 약 0.5개의 지수 정도이다.
• 민감도는 $ U_{\tau i}^2 / (U_{ei}^2 + U_{\mu i}^2) $ 의 비율에 따라 강하게 의존하지만, $ U_{ei}^2 / U_{\mu i}^2 $ 의 비율에 대해서는 특히 이중 뮤온 임계값을 초과할 경우 약하게 의존한다.
• 경량 뉴트리노 진동 데이터로부터의 제약은 $ U_{\tau i}^2 $ 가 큰 경우의 허용 가능한 매개변수 공간을 크게 줄이며, 선호 영역에서는 민감도가 맛 혼합 패턴에 거의 영향을 받지 않는다.
• SHiP, MATHUSLA, FASER, 또는 CODEX-b와 같은 전용 실험이 운영되기 전까지 NA62는 이 질량 범위에서 가장 강력한 HNL 탐색 도구로 남아 있을 것이다.