[논문 리뷰] Searching for heavy neutral lepton and lepton number violation through VBS at high-energy muon colliders

Tong Li, Chang-Yuan Yao외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 뮤온 충돌기에서 벡터 보손 산란(VBS)을 사용하여 무거운 중성 렙톤(HNL)과 렙톤 수 위반(LNV)을 탐색하는 것을 제안한다. 이는 같은 전하의 렙톤(예: ℓ⁺ℓ⁺)을 포함하는 깔끔하고 강건한 서명을 제공하여 마요라나 HNL과 디르락 상태를 구별한다. 연구는 √s = 10–30 TeV 뮤온 충돌기에서 VBS 과정을 통해 뮤온과의 HNL 혼합 |VμN|²의 상한을 약 10⁻⁴까지 탐색할 수 있으며, Weinberg 연산자의 스케일에 대한 감도 한계를 Λ/|Cμμ⁵| ≲ 47.7 TeV로 설정한다.

ABSTRACT

High-energy muon collider can play as an emitter of electroweak gauge bosons and thus leads to substantial vector boson scattering (VBS) processes. In this work, we investigate the production of heavy neutral lepton (HNL) N and lepton number violation (LNV) signature through VBS at high-energy muon colliders. VBS induces LNV processes W$^{±}$Z/γ → ℓ$^{±}$N → ℓ$^{±}$ℓ$^{±}$W$^{∓}$ → ℓ$^{±}$ℓ$^{±} q\overline{q} ^{′}$ with an on-shell HNL N at μ$^{+}$μ$^{−}$ colliders. In analogy to neutrinoless double-beta decay with the HNL in t-channel, the LNV signature W$^{+}$W$^{+}$ → ℓ$^{+}$ℓ$^{+}$ can also happen via VBS at same-sign muon collider. They provide clean and robust LNV signatures to tell the nature of Majorana HNLs and thus have more advantageous benefits than direct μμ annihilation. We analyze the potential of searching for Majorana HNL and obtain the exclusion limits on mixing V$_{ℓN}$. Based on this same-sign lepton signature, we also obtain the sensitivity of muon collider to the Weinberg operator.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 뮤온 충돌기에서 렙톤 수 위반(LNV)을 통한 무거운 중성 렙톤(HNL)의 마요라나 성질을 탐색하기 위한 깔끔하고 강건한 서명을 개발하는 것.
• 최종 상태에서 뉴트리노가 누락되어 마요라나와 디르락 HNL을 구별할 수 없는 직접적인 µµ 결합의 한계를 극복하는 것.
• 0νββ 유사 LNV 과정을 통해 더 무거운 HNL을 탐색하기 위한 동일 전하의 뮤온 충돌기(µ⁺µ⁺)의 잠재력을 탐색하는 것.
• 중성미온 질량 생성에 관련된 차원 5의 Weinberg 연산자에 대한 뮤온 충돌기의 감도를 정량화하는 것.

제안 방법

• 고에너지 µ⁺µ⁻ 및 µ⁺µ⁺ 충돌기에서 VBS 과정을 모델링하기 위해 전자약 파arton 분포 함수(EW PDFs)를 사용한다.
• VBS 생성 과정인 W±Z/γ → ℓ±N → ℓ±ℓ±W∓ → ℓ±ℓ±q¯q′을 분석하며, 여기서 HNL N은 온쉘 상태이며, 이는 확실한 LNV 신호이다.
• 신호의 유의성과 배경 제거 한계를 추정하기 위해 LNV 신호와 표준모형 배경의 검출기 수준 시뮬레이션을 수행한다.
• 배경를 억제하기 위해 동일 전하의 렙톤과 제트를 중심으로 선택 절차를 최적화한다.
• Weinberg 연산자 기여를 모델링하기 위해 파르톤 수준의 단면적 σ(W⁺W⁺ → ℓ⁺ℓ′) ≈ (2−δℓℓ′)/(18π) × |Cₗₗ′⁵/Λ|²을 사용한다.
• 2σ 유의성 요구 조건을 통해 |VℓN|²의 배경 제거 한계와 Weinberg 연산자 스케일 Λ/|Cμμ⁵|의 감도 한계를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 뮤온 충돌기에서 VBS 과정이 마요라나 HNL을 식별하기 위한 깔끔하고 모델 독립적인 서명을 제공할 수 있는가?
• RQ2 VBS 기반 HNL 탐색이 |VμN|²를 탐색하는 데 있어 직접적인 µ⁺µ⁻ 결합에 비해 감도가 높은가?
• RQ3 동일 전하의 µ⁺µ⁺ 충돌기가 0νββ 유사 LNV 과정을 통해 ℓ±ℓ± + 제트(들) 서명보다 더 무거운 HNL을 탐색할 수 있는가?
• RQ4 뮤온 충돌기가 차원 5의 Weinberg 연산자 스케일 Λ/|Cμμ⁵|에 대해 어느 정도의 감도를 갖는가?
• RQ5 VBS 과정이 서로 다른 전하 렙톤 편미분과의 혼합, 특히 ℓ₁ ≠ ℓ₂일 때의 |Vℓ₁NVℓ₂N|을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• VBS 과정 W±Z/γ → ℓ±N → ℓ±ℓ±W∓ → ℓ±ℓ±q¯q′은 같은 전하의 캐리어 렙톤을 포함하는 확실한 LNV 서명을 제공하며, 마요라나 HNL을 명확히 구별한다.
• √s = 10 TeV에서 VBS로부터의 |VμN|² 배경 제거 한계는 더 낮은 단면적에도 불구하고 µ⁺µ⁻ 결합에 비해 더 강력하다.
• µ⁺µ⁺ 충돌기에서는 0νββ 유사 LNV 신호인 W⁺W⁺ → ℓ⁺ℓ⁺가 ℓ±ℓ± + 제트(들) 서명보다 훨씬 더 무거운 HNL을 탐색할 수 있게 한다.
• √s = 30 TeV에서 Weinberg 연산자 스케일에 대한 감도는 Λ/|Cμμ⁵| ≲ 47.7 TeV에 도달하며, 이는 효과적인 µµ 마요라나 질량 mμμ ≳1.3 GeV에 해당한다.
• 이 방법은 μ–N 영역을 초월하여 서로 다른 렙톤 편미분과의 혼합, 특히 ℓ₁ ≠ ℓ₂일 때의 |Vℓ₁NVℓ₂N|을 탐색할 수 있다.
• 이 연구는 VBS 기반 LNV 서명이 마요라나 성질을 식별하는 데 있어 강건하며, 특히 고질량 영역에서 매우 적합하다는 것을 확인한다.