[논문 리뷰] Phenomenology of the minimal B-L extension of the Standard Model

L. Basso, A. Belyaev외 3명|arXiv (Cornell University)|2009. 09. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 최소 U(1)_{B-L} 확장인 LHC에서의 발견 잠재력에 대해 조사하며, Z′ 게이지 보손과 세 개의 무거운 메이조라나 중성자에 초점을 맞춘다. Z′가 무거운 중성자로 붕괴할 경우, 이는 이sovectors가 있는 다중 레프톤 서명을 만들어내며, 이는 Z′와 무거운 중성자 질량을 동시에 측정할 수 있게 하고, 시이-사우 메커니즘을 통해 가벼운 중성자 질량을 추정할 수 있게 한다.

ABSTRACT

We present the Large Hadron Collider (LHC) discovery potential in the $Z'$ and heavy neutrino sectors of a $U(1)_{B-L}$ enlarged Standard Model also encompassing three heavy Majorana neutrinos. This model exhibits novel signatures at the LHC, the most interesting arising from a $Z'$ decay chain involving heavy neutrinos, eventually decaying into leptons and jets. In particular, this signature allows one to measure the $Z'$ and heavy neutrino masses involved. In addition, over a large region of parameter space, the heavy neutrinos are rather long-lived particles producing distinctive displaced vertices that can be seen in the detectors. Lastly, the simultaneous measurement of both the heavy neutrino mass and decay length enables an estimate of the absolute mass of the parent light neutrino. For completeness, we will also compare the LHC and a future Linear Collider (LC) discovery potentials.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 표준모형의 최소 U(1)_{B-L} 확장에서 Z′ 및 무거운 메이조라나 중성자 영역의 발견 잠재력을 탐색하기 위해.
• 특히 다중 레프톤 끝상태와 빈도가 낮은 이sovectors를 포함한, Z′가 무거운 중성자로 붕괴할 때 발생하는 고유한 충돌기 서명을 식별하기 위해.
• Z′와 무거운 중성자 질량을 동시에 측정하고, 시이-사우 메커니즘을 통해 가벼운 중성자 질량의 절대 질량을 추정할 수 있도록 하기 위해.
• 에너지 스캔 모드에서 향후 선형 충돌기(LC)의 발견 잠재력과 LHC의 발견 잠재력을 비교하기 위해.
• 다중 레프톤 끝상태에서 배경 억제의 정도를 평가하고, 질량 재구성에 전단 질량 분포를 사용하는 것이 타당한지 검증하기 위해.

제안 방법

• U(1)_{B-L} 게이지 대칭, 세 개의 오른쪽으로 이동하는 무거운 메이조라나 중성자, 그리고 이상치를 상쇄하고 대칭을 깨는 B-L 전하를 가진 힉스 싱เก트론을 포함하는 최소 B-L 모델을 채택하기 위해.
• Z′와 SM Z가 혼합되지 않는(혼합 매개변수 ŝg = 0) 필드 기반을 사용하여 청소된 Z′ 신호를 확보하기 위해.
• 디르악 및 메이조라나 요크 상호작용을 통해 시이-사우 메커니즘을 구현하여 가벼운 중성자 질량을 생성하고, 무거운 중성자 상태를 정의하기 위해.
• √s = 13 TeV에서 pp → ν̄_h ν_h → 3l + 2j + ν̄_l에 대한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하며, M_{Z′} = 1.5 TeV, g′ = 0.2, M_{ν_h} = 200 GeV로 설정하기 위해.
• 3 레프톤과 2 제트를 포함한 가시 입자들을 사용하여 전단 질량 m_T^2을 정의하고, 이는 M_{Z′} = 1.5 TeV에서 피크를 이룹니다.
• 운동학적 및 검출기 수용도 컷을 적용하고, W 보손 질량 근처의 이-제트 이질량을 요구하여 배경(특히 t̄t, WZjj)을 억제하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 B-L 모델에서 Z′가 무거운 메이조라나 중성자로 붕괴할 때 발생하는 주요 LHC 서명은 무엇인가요?
• RQ2 수명이 긴 무거운 중성자가 생성하는 이sovectors는 관측 가능하며, 이는 그들의 붕괴 길이와 질량 측정에 사용될 수 있나요?
• RQ3 Z′와 무거운 중성자 질량을 동시에 측정할 수 있다면, 가벼운 중성자 질량의 절대 질량을 어떻게 결정할 수 있나요?
• RQ4 M_{Z′}-g′_1 평면에서 LHC와 향후 선형 충돌기의 비교적 발견 잠재력은 어떻게 되나요?
• RQ5 다중 레프톤 끝상태에서 빈도가 낮은 에너지와 제트를 포함할 때, 배경 억제의 정도는 어느 정도인가요?

주요 결과

• M_{ν_h} ≲ M_{Z′}/2일 경우, Z′가 무거운 중성자 쌍으로 붕괴할 수 있으며, 이 경우 분해비는 약 20%까지 가능하여 청소된 다중 레프톤 서명을 생성한다.
• 질량이 약 200 GeV이고, b-쿼크와 비슷하거나 그 이상의 수명(τ ~ 10^{-12} s)을 가지는 무거운 중성자는 LHC에서 관측 가능한 이sovectors를 생성한다.
• 3 레프톤과 2 제트를 포함한 전단 질량 분포 m_T^2는 M_{Z′} = 1.5 TeV에서 날카럽게 피크를 이룹니다. 이는 정밀한 Z′ 질량 측정을 가능하게 합니다.
• t̄t 및 WZjj 배경은 이-제트 이질량이 W 보손 질량 근처일 것을 요구함으로써 크게 억제됩니다.
• LHC는 500 GeV < M_{Z′} < 1 TeV 범위에서 발견 잠재력을 확보하며, 고정 에너지 LC보다 뛰어난 성능를 보입니다. 그러나 에너지 스캔 모드의 LC는 LHC가 접근하지 못하는 영역에 접근할 수 있습니다.
• 무거운 중성자 질량과 수명을 동시에 측정함으로써, 시이-사우 공식의 역행을 통해 가벼운 중성자 질량의 절대 질량을 추정할 수 있습니다.