[논문 리뷰] Probing Heavy Majorana Neutrinos and the Weinberg Operator through Vector Boson Fusion Processes in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2393명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 LHC에서 √s = 13 TeV에서 같은 전하의 디뮤온 최종 상태에서 벡터 보존 융합(VBF) 과정을 통해 무거운 메이조라나 중성자를 탐색하고 움베르크 연산자를 처음으로 다루는 것이다. CMS 데이터 138 fb⁻¹를 바탕으로, 650 GeV 이상의 무거운 중성자 질량에 대해 |VμN|²에 대한 LHC에서 가장 엄격한 제한을 설정하였으며, 움베르크 연산자를 통한 효과적 µµ 메이조라나 중성자 질량에 대해 처음으로 콜라이더 기반 제약 조건을 설정하였다. 관측된 95% 신뢰수준 상한은 10.8 GeV이다.

ABSTRACT

The first search exploiting the vector boson fusion process to probe heavy Majorana neutrinos and the Weinberg operator at the LHC is presented. The search is performed in the same-sign dimuon final state using a proton-proton collision data set recorded at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, collected with the CMS detector and corresponding to a total integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The results are found to agree with the predictions of the standard model. For heavy Majorana neutrinos, constraints on the squared mixing element between the muon and the heavy neutrino are derived in the heavy neutrino mass range 50 GeV-25 TeV; for masses above 650 GeV these are the most stringent constraints from searches at the LHC to date. A first test of the Weinberg operator at colliders provides an observed upper limit at 95% confidence level on the effective $\mu\mu$ Majorana neutrino mass of 10.8 GeV.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 벡터 보존 융합(VBF) 과정을 통해 무거운 메이조라나 중성자와 움베르크 연산자의 존재를 탐색한다.
• 특히 같은 전하의 디뮤온 최종 상태에서 고에너지 양성자-양성자 충돌에서 렙톤 수량 위반(LNV)을 테스트한다.
• 50 GeV–25 TeV 질량 범위에서 뮤온과 무거운 메이조라나 중성자 간의 혼합 요소 |VμN|²에 대한 개선된 제약 조건을 설정한다.
• 움베르크 연산자를 통한 효과적 µµ 메이조라나 중성자 질량에 대해 처음으로 콜라이더 기반 상한을 제공한다.
• s-채널 생성 기반 기존 탐색을 보완하기 위해, 질량 증가에 따라 단절율이 더 느리게 감소하는 t-채널 VBF 위상도를 활용한다.

제안 방법

• CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하며, 통합 루미너시티 138 fb⁻¹에 해당한다.
• 벡터 보존 융합(VBF)을 통해 생성된 같은 전하의 디뮤온 최종 상태 이벤트를 분석하며, 이는 두 개의 전방 진동과 중심부의 디뮤온 시스템으로 특징지어진다.
• 두 가지 별개의 VBF 과정을 모델링한다: (1) t-채널에서의 무거운 메이조라나 중성자 생성, (2) 움베르크 연산자를 통한 효과적 장 이론 매개.
• 표준모형 배경, 특히 QCD 다중진동 및 Drell-Yan 과정을 억제하기 위해 운동량 재구성 및 이벤트 선택 기준을 적용한다.
• 신뢰도 기반 통계 분석을 수행하여 신호 강도에 대한 상한을 설정함으로써, |VμN|² 및 효과적 µµ 메이조라나 질량에 대한 제약 조건을 도출한다.
• 효과적 장 이론 프레임워크를 사용하여 움베르크 연산자를 기술하며, 효과적 스케일 Λ는 mμμ = C₅v²/Λ를 통해 메이조라나 질량과 관련된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 메이조라나 중성자는 LHC에서 벡터 보존 융합를 통해 생성될 수 있으며, 이는 뮤온과의 혼합에 대한 제약 조건을 어떻게 초래하는가?
• RQ2 움베르크 연산자를 통한 효과적 µµ 메이조라나 중성자 질량에 대해 첫 번째 콜라이더 기반 상한은 무엇인가?
• RQ3 고질량에서 무거운 메이조라나 중성자를 탐색할 때 VBF 과정은 s-채널 생성과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 LHC에서 관측된 같은 전하의 디뮤온 이벤트는 렙톤 수량 위반과 일치하는 표준모형 예측에서의 어떤 편차도 보이는가?
• RQ5 TeV 스케일에서 VBF 위상도는 움베르크 연산자에 대해 어떤 민감도를 가지며, 저에너지 실험과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• 전체 질량 범위에서 같은 전하의 디뮤온 최종 상태에서 표준모형과의 유의미한 편차는 관측되지 않았다.
• 무거운 메이조라나 중성자 질량이 650 GeV 이상일 경우, 이 연구는 |VμN|²에 대해 현재까지 가장 엄격한 LHC 제약 조건을 설정하였다.
• 관측된 95% 신뢰수준 상한은 효과적 µµ 메이조라나 중성자 질량이 10.8 GeV이며, 이는 이 관측량에 대한 첫 번째 직접적인 콜라이더 제약 조건을 의미한다.
• VBF 위상도는 s-채널 탐색과 상보적인 탐색 수 Mittel로, 질량 증가에 따라 단절율 감소가 더 느리게 나타난다.
• 분석은 VBF 과정을 사용하여 LHC에서 움베르크 연산자와 렙톤 수량 위반을 탐색하는 것이 가능함을 보여주었다.
• 결과는 연구된 최종 상태와 질량 범위에서 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 부재와 일치한다.