[논문 리뷰] Right-handed neutrinos: the hunt is on!

P. Mermod|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 SHiP 빔드ัม프 실험과 LHC에서의 전용 분석을 통해 오른쪽 수손 중성미자를 탐지하기 위한 이중 실험 전략을 제안한다. 이는 이격된 비틀림(이격된 정점) 서명을 통해 이루어지며, 질량이 5 GeV 이하인 HNL을 탐지할 수 있고, 현재의 제한보다 몇 개의 주요 차수 낮은 혼합 강도를 다룰 수 있다. 또한 ATLAS와 CMS에서 W 붕괴에서 유래한 HNL을 대상으로 하며, 질량이 30 GeV 이하인 경우를 다룬다. SHiP는 고강도 프로톤 빔과 최적화된 검출기 설계 덕분에 매우 작은 혼합 파rameter에 대해 비례적으로 높은 감도를 확보할 수 있으며, LHC 기반 탐사는 고에너지 W 보손 생성률을 활용해 더 높은 질량 영역을 탐색할 수 있다. 이 두 실험은 중성미자 질량, 암흑 물질, 양성자 비대칭성의 우주론적 모델에서 유리한 매개변수 공간을 종합적으로 커버한다.

ABSTRACT

The possibility of the existence of right-handed neutrinos remains one of the most important open questions in particle physics, as they can help elucidate the problems of neutrino masses, matter-antimatter asymmetry, and dark matter. Interest in this topic has been increasing in recent years with the proposal of new experimental avenues by which right-handed neutrinos with masses below the electroweak scale could be detected directly using displaced-vertex signatures. At the forefront of such endeavours, the proposed SHiP proton beam-dump experiment is designed for a large acceptance to new weakly-coupled particles and low backgrounds. It is capable of probing right-handed neutrinos with masses below 5~GeV and mixings several orders of magnitude smaller than current constraints, in regions favoured by cosmology. To probe higher masses (up to 30~GeV), a promising novel approach is to identify displaced vertices from right-handed neutrinos produced in $W$ decays at LHC experiments.

연구 동기 및 목표

• 오른쪽 수손 중성미자 탐지를 통해 입자물리학에서 열려 있는 문제들, 즉 중성미자 질량의 기원, 물질-반물질 비대칭성(양성자 비대칭성 생성), 암흑 물질의 기원을 해결하고자 한다.
• 특히 렙토제네시스와 암흑 물질 모델에서 유리한, 전자약력 스케일 이하의 질량을 가진 HNL의 매개변수 공간을 탐색하고자 한다.
• 활성 중성미자와의 매우 작은 혼합을 가진 HNL의 직접 탐지를 위해 두 가지 상호보완적인 실험 전략—SHiP 빔드ัม프 및 LHC 이격된 정점 탐색—을 개발하고 평가하고자 한다.
• SHiP가 0.4–5 GeV 질량 범위에서 현재의 제한보다 몇 개의 주요 차수 낮은 혼합 강도(U²)를 탐지할 수 있음을 입증하고자 한다.
• LHC 기반의 이격된 정점 탐색 또는 즉각적인 동일전하 레프톤 서명을 사용한 분석이 3–50 GeV 질량 범위에서 기존 LEP 제약을 초월할 수 있음을 보여주고자 한다.

제안 방법

• CERN SPS의 400 GeV 프로톤 빔드ัม프를 사용하여, 캬운드 및 바텀 하드론의 붕괴를 통해 HNL을 생성한다.
• 50m 길이의 붕괴 공간을 구현하고, LHCb와 유사한 스펙트로미터를 장착하며, 마이언 빛산과 타이밍 검출기를 통해 배경을 억제하고 100ps 이내의 해상도로 이격된 정점을 식별한다.
• 배경 사건을 제거하기 위해 활성 보호 시스템과 정점 재구성 기법을 적용하여, 중성미자 상호작용, 장수한 하드론, 무작위 트랙 교차로부터 유래한 사건을 거부한다.
• 배경 수준 추정과 검출기 수용율 최적화를 위해 시뮬레이션을 사용하며, 이격된 정점에서 기인한 반대전하 트랙을 재구성하는 데 중점을 둔다.
• ATLAS와 CMS에서 W 보손 붕괴에서 생성된 HNL을 탐색하기 위한 전용 분석을 설계하며, 이격된 정점 서명을 통해 하드론성 및 레프톤성 붕괴를 다루고, 더 높은 질량에서는 즉각적인 동일전하 레프톤 서명을 사용한다.
• 운동학적 절단 조건(예: 하드론 채널에서 정점 질량 임계값 >4.5 GeV)을 적용하고, 현실적인 효율성(예: 20% 정점 선택, 60% 트리거 효율)을 가정하여 감도를 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SHiP 실험은 0.4–5 GeV 질량 범위에서 현재의 실험 제한보다 몇 개의 주요 차수 낮은 혼합 강도(U²)를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 LHC(ATLAS 및 CMS)에서의 이격된 정점 탐색은 3–30 GeV 질량 범위의 HNL에 대해 기존 LEP 제약을 어느 정도 초월할 수 있는가?
• RQ3 SHiP와 LHC 기반 탐색의 조합은 중성미자 질량, 암흑 물질, 양성자 비대칭성을 동시에 설명할 수 있는 우주론적으로 유리한 HNL 매개변수 공간을 커버할 수 있는가?
• RQ4 SHiP 검출기에서 마이언과 무작위 트랙 교차로부터 유래한 배경을 억제하기 위해 타이밍 해상도와 활성 마이언 차폐가 얼마나 효과적인가?
• RQ5 이격된 정점 또는 즉각적인 동일전하 레프톤 서명을 사용한 전용 LHC 분석의 예상 감도는 무엇이며, 기존 제약과 비교해 볼 때 어떤가?

주요 결과

• SHiP는 2×10²⁰ 프로톤을 타겟으로 가정한 시뮬레이션 기반으로 0.4–5 GeV 질량 범위에서 HNL 혼합 강도(U²)를 약 10⁻¹⁰ 수준까지 탐지할 것으로 예측되며, 이는 현재의 제한보다 몇 개의 주요 차수 낮은 수준이다.
• ATLAS와 CMS에서의 LHC 기반 이격된 정점 탐색은 3–50 GeV 질량 범위에서 기존 LEP 제약을 초월할 것으로 예상되며, 감도는 주로 가정된 효율성과 배경 수준에 의해 제한된다.
• 즉각적인 동일전하 레프톤 서명을 사용한 전용 LHC 분석은 질량이 최대 500 GeV인 HNL을 탐지할 수 있지만, 렙토제네시스에 가장 관련이 깊은 영역는 완전히 커버되지 않는다.
• SHiP와 LHC 기반 탐색의 조합은 상호보완적인 HNL 매개변수 공간 커버리지를 제공하며, SHiP는 낮은 질량과 극히 작은 혼합을 탐지하고, LHC는 W 보손 붕괴를 통해 더 높은 질량 영역을 접근한다.
• 시뮬레이션 결과에 따르면, 타이밍 해상도(100 ps)와 정점 재구성 기법을 통해 배경 억제가 무작위 트랙 교차 및 장수한 하드론으로 인한 오류 긍정을 효과적으로 줄일 수 있다.
• 예상 감도 곡선(파랑: SHiP, 빨강 및_PURPLE: ATLAS/CMS)은 두 접근 방식 모두 HNL이 중성미자 질량, 암흑 물질, 양성자 비대칭성을 동시에 설명할 수 있는 우주론적으로 유리한 영역에 접근할 수 있음을 보여준다.