[논문 리뷰] Probing baryon asymmetry of the Universe at LHC and SHiP

I. Boiarska, Kyrylo Bondarenko외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 65인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LHC(아틀라스, CMS, LHCb)의 이격된 병합점 탐색과 SHiP 강도 선단 실험을 조합함으로써, 볼륨 수축 메커니즘을 통해 중성미온 질량을 설명하고 우주의 양성비를 생성하는 데 동시에 기여하는 무거운 중성 렙톤(HNLs)의 매개변수 공간을 탐색할 수 있음을 보여준다. 이는 LHC와 SHiP 실험을 함께 고려할 경우 최소한의 HNL 양성비 생성 시나리오의 상당 부분을 커버할 수 있음을 시사하며, 특히 HNL 질량이 약 ~5 GeV 이하이고 혼합 각도가 ∼10⁻⁸ 이하일 경우에 특히 그렇다.

ABSTRACT

The origin of the baryon asymmetry of the Universe (BAU) is one of the major puzzles beyond the Standard Model. Detecting the particles responsible for the generation of the BAU would enormously boost our understanding of physics of the early Universe. Here we demonstrate that searches for displaced vertices at ATLAS, CMS and LHCb allow detecting heavy neutral leptons (HNL) with parameters that can simultaneously lead to the successful generation of the BAU and explain the masses and oscillations of active neutrinos. The combination of a dedicated LHC search program and a complementary Intensity Frontier experiment (such as SHiP) will allow exploring a sizeable part of the "minimal HNL baryogenesis" parameter space.

연구 동기 및 목표

• 무거운 중성 렙톤(HNLs)의 매개변수 공간을 규명하여, 볼륨 수축 메커니즘을 통해 중성미온 질량을 동시에 설명하고 우주의 양성비를 생성할 수 있도록 한다.
• 레프토제네시스의 맥락에서 ATLAS, CMS, LHCb의 이격된 병합점(DV) 탐색이 HNL에 대해 가지는 민감도를 평가한다.
• 양성비 생성에 관련된 HNL을 탐색하는 데 있어 SHiP 실험의 상호보완적 잠재력을 평가한다.
• 이전의 양성비 연구를 10 GeV 이상의 더 높은 HNL 질량으로 확장하여, 타당한 양성비 생성 시나리오의 탐색 범위를 향상시킨다.
• LHC의 DV 탐색과 SHiP와 같은 강도 선단 실험 간의 상호작용을 정량화하여, 천체물리학적으로 관련성이 있는 HNL 매개변수 공간을 커버하는 데 기여한다.

제안 방법

• LHC에서 W 보손 붕괴를 통한 HNL 생성을 모의 실험하여, MadGraph 5를 사용해 최초 순서에서 획득한 단면적과 운동량 스펙트럼을 추정한다.
• ATLAS와 CMS의 기하학적 수용율(ε_geom)과 평균 HNL 에너지 ⟨E⟩를 계산하기 위해, W 보손 붕괴 운동역학과 낙차율 수용율(|η| < 2.5)을 통합한다.
• 이론적 모델에서의 측정된 단면적(σ_bbar ≈ 1.3×10⁸ pb)과 분해비를 사용하여 LHCb에서 B-메손 붕괴로부터의 HNL 생성을 추정한다.
• 다양한 붕괴 길이 범위를 가진 이격된 병합점 탐색 전략을 적용한다: ATLAS/CMS의 짧은 DV(0.4–30 cm), CMS의 긴 DV(2–300 cm), LHCb의 B-메손 붕괴 DV(2–60 cm).
• 실험적 루미너스 추정치를 사용한다: ATLAS/CMS의 경우 현재 160 fb⁻¹ 및 고루미너스 런 4 시 3000 fb⁻¹; LHCb의 경우 현재 6.7 fb⁻¹ 및 고루미너스 시 300 fb⁻¹.
• LHC와 SHiP의 민감도 추정치를 통합하여, 성공적인 양성비 생성이 가능한 HNL 매개변수 공간의 커버리지 범위를 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC의 이격된 병합점 탐색은 렙톤 제네시스를 통해 우주의 양성비를 생성하는 HNL을 탐색할 수 있는가?
• RQ2 ATLAS, CMS, LHCb의 DV 탐색이 질량이 약 ~5 GeV 이하이고 혼합 각도가 ∼10⁻⁸ 이하인 HNL에 대해 어느 정도 민감도를 가지는가?
• RQ3 SHiP 실험은 양성비 생성에 관련된 HNL 매개변수 공간을 LHC DV 탐색과 어떻게 상호보완하는가?
• RQ4 이전에 연구된 m_N ≤ 10 GeV 범위를 초월하여 LHC와 SHiP 실험의 조합이 최소한의 HNL 양성비 생성 시나리오의 어느 정도를 커버할 수 있는가?
• RQ5 현재 및 계획 중인 실험으로는 탐색되지 않은 HNL 매개변수 영역는 어디이며, 향후 DV 전략으로 접근 가능할 수 있는가?

주요 결과

• LHCb의 B-메손 붕괴에서 유래한 HNL에 대한 이격된 병합점 탐색은 이전에 탐색되지 않은 HNL 매개변수 공간의 영역을 커버할 수 있으며, 특히 m_N ≤ m_B일 경우에 특히 그렇다.
• CMS의 긴 이격된 병합점 전략(2–300 cm 붕괴 길이)은 m_B를 초월하는 질량의 HNL을 커버할 잠재력을 지니며, LHCb와 ATLAS/CMS의 탐색을 보완할 수 있다.
• HNL 질량이 m_N ≲ m_B일 경우, SHiP와 같은 강도 선단 실험은 혼합 각도를 ∼10⁻⁸까지 탐색할 수 있으며, 성공적인 양성비 생성에 필요한 하한에 근접한다.
• LHC의 DV 탐색(ATLAS, CMS, LHCb)과 SHiP의 조합은 HNL이 동시에 중성미온 질량을 설명하고 우주의 양성비를 생성할 수 있는 매개변수 공간의 상당 부분을 커버할 수 있다.
• m_N ≲ m_B 이며 혼합 각도가 ∼10⁻⁸인 HNL 매개변수 공간의 일부 영역은 현재의 탐색으로는 커버되지 않았지만, LHCb와 Potentially CMS의 긴 DV 전략으로 접근 가능하다.
• 본 연구는 이전의 양성비 결과를 m_N ≤ 10 GeV를 초월하여 확장하였으며, 더 높은 질량에서 더 큰 혼합 각도를 가진 HNL도 여전히 성공적인 양성비 생성을 이끌 수 있음을 보여주었다.