[논문 리뷰] Search for Heavy Right Handed Neutrinos at the FCC-ee

A. Blondel, E. Graverini외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 17인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 Z 보손의 피크에서 고광도 $e^+e^-$ 충돌을 이용하여 미래 원형 충돌기 전자-양전자(FCC-ee)에서 무거운 오른손잡이 스테레오 중성자를 직접 탐색하는 방법을 제안한다. 작은 혼합 각도로 인해 무거운 중성자의 붕괴 길이가 길어지는 점을 활용하여, 질량이 10–80 GeV/$c^2$ 사이일 경우 $|U|^2 \sim 10^{-12}$ 수준까지 감도를 확보함을 보여주며, 시이사우 모델의 매개변수 공간을 넓이 있게 커버한다.

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics is still lacking an understanding of the generation and nature of neutrino masses. A favorite theoretical scenario (the see-saw mechanism) is that both Dirac and Majorana mass terms are present, leading to the existence of heavy partners of the light neutrinos, presumably massive and nearly sterile. These heavy neutrinos can be searched for at high energy lepton colliders of very high luminosity, such as the Future electron-positron e+e- Circular Collider, FCC-ee (TLEP), presently studied within the Future Circular Collider design study at CERN, as a possible first step. A first look at sensitivities, both from neutrino counting and from direct search for heavy neutrino decay, are presented. The number of neutrinos should be measurable with a precision between 0.001 - 0.0004, while the direct search appears very promising due to the long lifetime of heavy neutrinos for small mixing angles. A sensitivity down to a heavy-light mixing of 10^{-12} is obtained, covering a large phase-space for heavy neutrino masses between 10 and 80 GeV/c2.

연구 동기 및 목표

• FCC-ee에서 고광도 $e^+e^-$ 충돌기를 이용한 무거운 오른손잡이 스테레오 중성자 탐지 가능성 조사.
• 표준모형에서 중성자 질량 생성 원리에 대한 이론적 간극을 시이사우 메커니즘을 통해 해결.
• 이전 충돌기에서는 접근이 어려운 매우 작은 혼합 각도를 가진 스테레오 중성자에 대한 FCC-ee의 감도 탐색.
• 장수 생애 중성자 탐지에 적합한 중성자 수 세기 및 직접 붕괴 위상도 방법의 비교 평가.
• 기초핵물리학에서 중요한 역할을 하는 비대칭성 생성 및 어둠의 물질 후보와 관련된 중성자 질량 및 혼합 각도 매개변수 공간 탐색 범위 결정.

제안 방법

• 90에서 350 GeV 사이의 중심질량 에너지에서 FCC-ee에서의 고광도 $e^+e^-$ 충돌을 활용하며, 특히 Z 보손 피크($\sqrt{s} \approx 91$ GeV)에서 분석.
• 중성자 $N$가 경량 중성자와 작은 혼합 $|U|^2$로 결합하는 $Z \to \nu N$ 붕괴 분석.
• 작은 혼합으로 인한 $N$의 장수 생애를 활용하여, 탐지기 내에서 이격된 병합점 위상도를 통해 탐지 가능.
• 완전한 재구성 가능성을 위해 $N \to \ell W$ 붕괴에서 쿼크가 붕괴하는 하드론적 $W$ 붕괴를 식별하기 위한 위상도 재구성 기법 적용.
• 다양한 탐지기 크기에서 신호 수확 및 배경 억제를 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 활용한 감도 연구 수행.
• 특히 1차 쿼크 질량 이하의 질량 범위에서 SHiP 실험과의 감도 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FCC-ee는 혼합 각도가 $|U|^2 \sim 10^{-12}$ 수준인 무거운 오른손잡이 중성자에 대해 충분한 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 작은 혼합 각도로 인해 발생하는 중성자 장수 생애가 이격된 병합점 탐지 가능성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 10에서 80 GeV/$c^2$ 사이의 중성자 질량에 대해 FCC-ee의 기대 감도는 어떠한가?
• RQ4 중성자 수 세기 대비 $Z \to \nu N$ 붕괴 위상도를 통한 직접 탐색의 감도는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 대기 중성자 및 기타 과정에서 유래하는 배경은 이격된 병합점 서명에서 얼마나 효과적으로 억제될 수 있는가?

주요 결과

• FCC-ee는 $\sqrt{s} = 105$ GeV에서 1년 운행 시 중성자 수 측정 정밀도가 $\Delta N_\nu \approx \pm(0.0004 - 0.0010)$ 수준에 도달하며, 이로 인해 $|U|^2 \sim 3 \times 10^{-4}$ 수준까지 감도 확보 가능.
• 이격된 병합점 위상도를 통한 $Z \to \nu N$ 붕괴의 직접 탐색은 중성자 질량이 30에서 80 GeV/$c^2$ 사이일 경우 $|U|^2 \sim 10^{-12}$ 수준까지 감도 확보.
• 탐지기 반경이 5 m일 경우, 이격된 병합점 길이가 100 $\mu$m에서 1 m 사이일 때 관심 영역 전체를 커버.
• FCC-ee의 크랩-웨이스트 설계로 인해 $Z^0$ 생성 수가 $10^{13}$ 건으로 증가하여 희귀 붕괴 감도 향상.
• 엄격한 병합점 재구성 및 시간 도착 요구 조건으로 인해 대기 중성자에서 기인하는 배경은 무시할 수 없을 정도로 낮음.
• FCC-ee의 감도 영역은 비대칭성 생성 및 어둠의 물질 후보에 중요한 전체 질량 범위를 커버하며, 30–80 GeV 범위에서 SHiP 실험의 탐색 범위를 초월함.