[논문 리뷰] Studies on the anomalous magnetic and electric dipole moments of the tau-neutrino in $pp$ collisions at the LHC

A. Gutiérrez-Rodríguez, M. Köksal외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 LHC에서 중심입자에너지 $\sqrt{s} = 8, 13, 14, 33$ TeV 및 누적광도까지 3000 fb$^{-1}$인 조건에서 ATLAS 검출기 시뮬레이션을 사용하여 $pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ 과정을 통해 타우-중성미자의 비정상 자기 및 전기 dipole moment (MM 및 EDM)를 조사한다. 95% 신뢰수준에서 현재까지 가장 엄격한 한계를 보고한다: $\mu_{\nu_\tau} = 1.474 \times 10^{-6}\mu_B$ 및 $d_{\nu_\tau} = 2.424 \times 10^{-17}$ ecm로, 이는 이전의 LEP 및 固定-타겟 실험 결과보다 약 2.23배 더 엄격하다.

ABSTRACT

In this paper the production cross section $pp ightarrow (γ, Z) o ν_τ\bar ν_τγ+X$ in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=8, 13, 14, 33TeV$ is presented. Furthermore, we estimate bounds at the $95\%C. L.$ on the dipole moments of the tau-neutrino using integrated luminosity of ${\cal L}=20, 50, 100, 200, 500, 1000, 3000 fb^{-1}$ collected with the ATLAS detector at the LHC and we consider systematic uncertainties of $δ_{sys}=0, 5, 10\%$. It is shown that the process under consideration is a good prospect for probing the dipole moments of the tau-neutrino at the LHC.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 고에너지 $pp$ 충돌을 통해 타우-중성미자의 비정상 자기 및 전기 dipole moment을 탐색하는 것.
• 다양한 광도 및 중심입자에너지 조건에서 ATLAS 검출기의 이러한 dipole moment에 대한 감도를 평가하는 것.
• Borexino, DONUT, CERN-WA-066 및 L3 실험에서 얻은 기존 실험적 한계를 향상시키는 것.
• 체계적 불확실성(0%, 5%, 10%)이 유도된 한계에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 비정상 $\nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma$ 접합 상호작용을 포함한 효과적 장 이론을 사용하여 $pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$의 총 단면적을 계산한다.
• SM과 비정상 dipole 기여의 간섭을 포함하여 과정를 $pp \to (\gamma, Z) \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$로 모델링한다.
• 신호 감도 향상을 위해 횡방향 에너지($E_T$), 횡방향 운동량($p_T$), 위상도($\eta$)에 대한 운동학적 컷을 적용한다.
• 신호 및 배경 기여를 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하며, 체계적 불확실성으로 0%, 5%, 10%를 고려한다.
• 비정상 상호작용 매개변수를 스캔하여 $\mu_{\nu_\tau}$ 및 $d_{\nu_\tau}$에 대한 95% 신뢰수준(C.L.) 한계를 도출한다.
• 다양한 광도 및 에너지 설정에서 감도 영역을 시각화하기 위해 $(F_3 - F_2)$ 평면에서 이중 매개변수 등고선을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 $pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ 과정는 이전 실험들보다 타우-중성미자의 비정상 자기 moment을 더 높은 감도로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 LHC의 광도 및 중심입자에너지가 타우-중성미자의 dipole moment에 대한 감도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 증가하는 누적광도를 고려한 향후 LHC 런에서 $\mu_{\nu_\tau}$ 및 $d_{\nu_\tau}$에 대한 95% C.L. 한계는 무엇인가?
• RQ4 체계적 불확실성(0%, 5%, 10%)이 dipole moment에 대한 유도된 경계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 $\nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma$ 채널은 타당한 실험들과 비교하여 중성미자의 전자기적 성질을 탐색하는 데 경쟁력이 있는가?

주요 결과

• $pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ 과정는 하드론 충돌기에서 타우-중성미자의 비정상 자기 moment을 탐색하는 데 실현 가능하고 민감한 채널을 제공한다.
• 가장 엄격한 95% C.L. 상한은 $\mu_{\nu_\tau} = 1.474 \times 10^{-6}\mu_B$로, $\sqrt{s} = 33$ TeV 및 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 조건에서 확보되었다.
• 가장 엄격한 95% C.L. 상한은 전기 dipole moment에 대해 $d_{\nu_\tau} = 2.424 \times 10^{-17}$ ecm로, 동일한 최적의 광도 및 에너지 조건에서 확보되었다.
• 이 한계들은 이전 L3 실험에서의 LEP 결과보다 약 2.23배 더 엄격하다.
• 자기 dipole moment에 대한 감도는 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서 간섭 효과로 인해 약간의 비대칭성을 보이지만, 고에너지에서 이는 감소한다.
• 최대 10%의 체계적 불확실성은 최종 경계에 측정 가능한 그러나 중간 정도의 영향을 미치며, 모든 고려된 수준에서 감도가 뚜렷하게 유지된다.