[논문 리뷰] Seesaw Spectroscopy at Colliders

Clifford Cheung, Lawrence J. Hall외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 17.

Neutrino Physics Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 장수하는 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)가 비활성 스누트리노 LSP로 붕괴하는 방식으로 콜라이더 기반의 직접적 탐색 및 스누트리노의 seesaw 메커니즘 재구성 방법을 제안한다. 붕괴 에너지 스펙트럼에서 단색선 또는 관측 질량 분포의 경계를 측정함으로써, 비활성 스누트리노의 질량과 요카다 상수를 추출할 수 있으며, 이는 중성미오 질량 행렬의 재구성과 약한 스케일에서의 렙토제네시스 모델 검증을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A low-scale neutrino seesaw may be probed or even reconstructed at colliders provided that supersymmetry is at the weak scale and the LSP is a sterile sneutrino. Because the neutrino Yukawa couplings are small, the NLSP is typically long-lived and thus a significant fraction of colored or charged NLSPs may stop in the detector material before decaying to the LSP and a charged lepton, gauge boson, or Higgs. For two-body NLSP decays, the energy spectrum of the visible decay product exhibits a monochromatic line for each sterile sneutrino which can be used to extract the sterile sneutrino masses and some or all entries of the neutrino Yukawa matrix modulo phases. Similar methods can be used to extract these parameters from the Dalitz plot in the case of three-body NLSP decays. Assuming that the sterile sneutrino and neutrino are roughly degenerate, one can confirm the existence of a neutrino seesaw by comparing these measured parameters to the observed active neutrino masses and mixing angles. Seesaw spectroscopy can also provide genuinely new information such as the value of $θ_{13}$, the nature of the neutrino mass hierarchy, and the presence of CP conservation in the neutrino sector. We introduce a weak-scale theory of leptogenesis that can be directly tested by these techniques.

연구 동기 및 목표

• 비활성 중성미오의 극도로 큰 질량 또는 결합 상수가 존재해 직접 측정이 어려운 상황에서, 콜라이더에서 seesaw 메커니즘을 직접 실험적으로 탐색하는 방법을 개발하는 것.
• 약한 스케일 초대칭에서 비활성 스누트리노 LSP를 가진 경우, NLSP 붕괴를 통해 중성미오 요카다 행렬과 비활성 스누트리노 질량을 재구성할 수 있음을 보여주는 것.
• NLSP 붕괴 스펙트로스코피를 통해 CP 위반 위상과 요카다 상수를 측정함으로써, 저스케일 렙토제네시스 모델을 콜라이더 기반으로 검증하는 것.
• 콜라이저 데이터에서 중성미오 혼합 각도 $\theta_{13}$, 질량 계층, CP 보존 상태를 직접 측정할 수 있는 방법을 확립하는 것.
• 정지된 NLSP가 없더라도 붕괴 스펙트럼에서의 운동학적 경계와 단색선을 이용해 seesaw 매개변수를 재구성할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 검출기 물질에 정지하여 전하 레프톤과 비활성 스누트리노 LSP로 붕괴하는 장수하는 NLSP(예: 카린오 또는 스쿼크)를 활용한다.
• 가시 붕괴 생성물(예: 전하 레프톤)의 에너지 스펙트럼을 측정하여 서로 다른 비활성 스누트리노 질량에 해당하는 단색선을 식별한다.
• 비틀림 붕괴 계단에서의 관측 질량 분포(예: $m_{q\ell^\pm}$)에 운동학적 경계 기법을 적용하여 다수의 비활성 스누트리노 질량을 추출한다.
• 쌍생성 시나리오에서 제트 조합 문제와 NLSP 질량에 영향을 받지 않는 $M_{T2}$ 변수를 사용하여 스누트리노 질량을 재구성한다.
• 분해비율이 $|\lambda_{ij}|^2$ 비례하므로, 분해비율에서 중성미오 요카다 행렬 $\lambda_{ij}$를 재구성하고, 측정된 비활성 스누트리노 질량과 연관지켜 seesaw 메커니즘을 검증한다.
• 레프톤 에너지 스펙트럼에서 $M_j^2 = m_{\tilde{\chi}^\pm}^2 + m_{\ell^\pm}^2 - 2m_{\tilde{\chi}^\pm}E_{\ell^\pm}$ 관계를 활용하여 비활성 스누트리노 질량을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수하는 NLSP의 붕괴를 통해 비활성 스누트리노 LSP로의 붕괴를 통해 콜라이더에서 중성미오 seesaw 메커니즘을 직접 탐색할 수 있는가?
• RQ2 단색선과 운동학적 경계와 같은 콜라이저 관측량을 통해 중성미오 요카다 행렬과 비활성 스누트리노 질량을 얼마나 정확히 재구성할 수 있는가?
• RQ3 seesaw 스펙트로스코피를 통해 $\theta_{13}$, 중성미오 질량 계층, 그리고 중성미오 영역에서의 CP 보존 여부를 독립적으로 측정할 수 있는가?
• RQ4 NLSP가 비활성 스누트리노로 붕괴하는 콜라이저 측정을 통해 저스케일 렙토제네시스 모델을 검증할 수 있는가?
• RQ5 제트 조합 문제와 이격 붕괴 배경이 존재하는 상황에서 seesaw 매개변수의 재구성은 얼마나 견고한가?

주요 결과

• 레프톤 에너지 스펙트럼에서의 단색선은 이원 붕괴에서 비활성 스누트리노 질량을 직접 측정할 수 있게 한다.
• 쿼크-레프톤 쌍의 관측 질량($m_{q\ell^\pm}$)에서의 운동학적 경계는 이격 계단 붕괴에서 다수의 비활성 스누트리노 질량을 재구성하는 데 사용될 수 있다.
• NLSP가 다양한 레프톤 품종로 붕괴하는 분해비율은 $|\lambda_{ij}|^2$ 비례하므로, 위상 정보를 제외한 중성미오 요카다 행렬 재구성 가능하다.
• 이 방법을 통해 직접 측정된 요카다 상수와 질량을 바탕으로 $\theta_{13}$, 중성미오 질량 계층, 그리고 중성미오 영역에서의 CP 보존 여부를 결정할 수 있다.
• 재구성된 매개변수를 관측된 활성 중성미오 질량과 혼합 각도와 비교함으로써 seesaw 메커니즘이 중성미오 질량 기원임을 확인함으로써 seesaw 메커니즘을 검증할 수 있다.
• 비활성 스누트리노 질량과 $|\lambda_{ij}|^2$ 값의 측정을 통해 소프트 SUSY 붕괴에서의 CP 위반 위상을 탐색할 수 있으므로, 저스케일 렙토제네시스 이론은 seesaw 스펙트로스코피를 통해 직접 검증될 수 있다.