[논문 리뷰] Probing sterile neutrino in meson decays with and without sequential neutrino decay

C. S. Kim, Dong‐Hun Lee외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 베일 II에서 $B \to D\ell N$ 붕괴를 통해 비활성 중성미자 $N$에 대한 체계적인 탐색을 제시한다. 이는 이격된 병합점 서명과 스핀 얽힘 억제를 활용하여 $|U_{\mu N}|^2$를 탐색하고, 디르악과 메이저라 중성미자 $N$를 구별한다. 이는 업그레이드된 LHCb와 유사한 제약 조건을 달성하며, $m_N < 2$ GeV일 경우 더 뛰어난 감도를 확보한다.

ABSTRACT

We present the most systematic approach to discover a sterile neutrino $N$ or constrain $\left| U_{\ell N} ight|^2$, the mixing between active neutrino $ u_\ell$ (with $\ell=\mu, au$) and the sterile neutrino $N$, from $B o D\ell N$ decays. Our constraint on $\left| U_{\mu N} ight|^2$ achievable from Belle II data is comparable with that from the much larger data set of upgraded LHCb, even much better for mass of sterile neutrino $m_N < 2$ GeV. We can also probe the Dirac and Majorana nature of $N$ by observing the sequential decay of $N$, including suppression factors associated with observation of a displaced vertex and helicity flip, for Majorana $N$.

연구 동기 및 목표

• 비활성 중성미자 혼합 $|U_{\ell N}|^2$를 $B \to D\ell N$ 붕괴에서 탐색하기 위한 체계적 방법을 개발하는 것.
• 베일 II 데이터를 사용하여 μ 뉴트리노/타우 뉴트리노와 비활성 중성미자 $N$ 사이의 혼합을 제약 조건화하는 것.
• 연속 붕괴 서명과 억제 효과를 통해 $N$의 디르악 또는 메이저라 성격을 구별하는 것.
• 기존 실험들에 비해 감도를 향상시키며, 특히 $m_N < 2$ GeV일 경우에 유리한 것.
• 메이저라 $N$의 분석에서 이격된 병합점 탐지와 스핀 전환 억제를 고려하는 것.

제안 방법

• ℓ = μ, τ 인 비활성 중성미자 $N$에 대한 탐색으로서 $B \to D\ell N$ 붕괴를 분석한다.
• 메이저라 $N$의 경우 스핀 전환 및 이격된 병합점 탐지에서 유도된 억제 요소를 통합한다.
• 베일 II의 고광도 데이터를 활용하여 운동량 및 위상 구조 서명을 통해 $|U_{\mu N}|^2$의 경계를 설정한다.
• 다른 데이터 크기와 탐지 효율을 고려하여 업그레이드된 LHCb의 감도와 비교한다.
• 메이저라 $N$의 스핀 얽힘 억제를 고려한 이론적 프레임워크를 적용하여 연속 붕괴 $N \to \ell \ell'$를 모델링한다.
• 병합점 재구성 및 렙톤 식별의 실험적 제약 조건을 통합하여 감도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 베일 II의 $B \to D\mu N$ 붕괴에서 $|U_{\mu N}|^2$에 대한 감도는 어떻게 되며, 업그레이드된 LHCb와 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ2 이격된 병합점 탐지와 스핀 얽힘 억제가 메이저라 $N$의 연속 붕괴 관측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $B \to D\ell N$ 붕괴와 그 붕괴 체인을 통해 $N$의 디르악 또는 메이저라 성격을 식별할 수 있는가?
• RQ4 $m_N < 2$ GeV일 경우, 베일 II의 감도가 다른 실험들에 비해 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스핀 전환에서 유도된 억제 요소가 $B \to D\ell N$ 붕괴에서 $N$의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 작은 데이터 세트에도 불구하고, 베일 II는 업그레이드된 LHCb와 유사한 $|U_{\mu N}|^2$ 제약 조건을 확보한다.
• 특히 $m_N < 2$ GeV일 경우, 베일 II의 $|U_{\mu N}|^2$에 대한 감도는 업그레이드된 LHCb를 초월한다.
• 스핀 얽힘 억제를 통한 연속 붕괴는 디르악과 메이저라 $N$을 구별하는 데 기여한다.
• 이격된 병합점 서명은 장수명 $N$의 $B \to D\ell N$ 붕괴에서 탐지 능력을 크게 향상시킨다.
• 스핀 전환에서 유도된 억제 요소는 메이저라 $N$의 신호를 정확히 모델링하는 데 핵심적이다.
• 이 방법은 $B \to D\ell N$ 붕괴에서 비활성 중성미자 혼합과 성격을 탐색하기 위한 견고한 프레임워크를 제공한다.