[논문 리뷰] The effective field theory of low scale see-saw at colliders

Anke Biekötter, M. Chala외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 49인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비정상적인 표준모형 효과 이론(уSMEFT)의 맥락에서 저에너지 스케일의 세우 메커니즘을 연구하며, 0.1에서 10 GeV 사이의 질량을 가진 오른쪽 손잡이 중성자와 광자 및 표준모형 중성자로 빠르게 붕괴하는 경우를 중심으로 다룬다. 기존의 LHC 및 LEP의 제약 조건에도 불구하고 아직 잘 제약되지 않은 연산자 계수를 규명하고, 나머지 검증되지 않은 매개변수 공간을 탐색하기 위해 희귀 톰 및 타우 붕괴에 대한 전용 탐색을 제안한다.

ABSTRACT

We study the Standard Model effective field theory ($ u$SMEFT) extended with operators involving right-handed neutrinos, focussing on the regime where the right-handed neutrinos decay promptly on collider scales to a photon and a Standard Model neutrino. This scenario arises naturally for right-handed neutrinos with masses of the order $m_N \sim 0.1 \dots 10\, ext{GeV}$. We limit the relevant dimension-six operator coefficients using LEP and LHC searches with photons and missing energy in the final state as well as pion and tau decays. While bounds on new physics contributions are generally in the TeV scale for order one operator coefficients, some coefficients, however, remain very poorly constrained or even entirely evade bounds from current data. Consequently, we identify such weakly constrained scenarios and propose new searches for rare top and tau decays involving photons to probe potential new physics in the $ u$SMEFT parameter space. Our analysis highlights the importance of performing dedicated searches for new rare tau and top decays.

연구 동기 및 목표

• 0.1–10 GeV 범위의 질량을 가진 오른쪽 손잡이 중성자에 대한 uSMEFT 프레임워크 내 현상학을 분석하는 것.
• 기존 LHC, LEP, 그리고 풍미 물리학 데이터를 활용하여 오른쪽 손잡이 중성자를 포함하는 고차원 연산자에 대한 제약을 평가하는 것.
• 현재 실험 데이터로 인해 약하게 제약되거나 전혀 제약되지 않은 연산자 계수를 규명하는 것.
• 남아 있는 검증되지 않은 매개변수 공간을 탐색하기 위해 희귀 톰 및 타우 붕괴에 광자를 포함한 새로운 콜라이더 탐색 전략을 제안하는 것.

제안 방법

• 오른쪽 손잡이 중성자를 포함하는 고차원 연산자로 확장된 уSMEFT 라그랑지안을 구성하는 것.
• 콜라이더 서명에 관련된 바탕이 되는, 오른쪽 손잡이 중성자가 광자와 표준모형 중성자로 빠르게 붕괴하는 영역에 집중하는 것.
• 최종 상태에 광자와 미량 에너지를 포함한 LHC 및 LEP 탐색 결과를 적용하여 제약을 설정하는 것.
• 파이온 및 타우 붕괴의 정밀 측정을 통해 새로운 물리 기여를 제약하는 것.
• 실험 감도가 낮은 영역을 규명하기 위해 연산자 계수의 체계적 스캔을 수행하는 것.
• 희귀 톰 및 타우 붕괴에 광자를 포함한 새로운 탐색 전략을 콜라이더에서 제안하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 LHC, LEP, 그리고 풍미 데이터로 인해 오른쪽 손잡이 중성자를 포함하는 고차원 연산자의 계수 중 어떤 것이 아직 잘 제약되지 않았는가?
• RQ2 0.1–10 GeV 범위의 질량을 가진 오른쪽 손잡이 중성자의 붕괴 모드가 광자 및 미량 에너지를 포함한 콜라이더 서명에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 일부 연산자 계수에 대한 현재의 감도 부족이 저에너지 세우 물리학의 발견에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 희귀 톰 및 타우 붕괴에 광자를 포함한 탐색 방식이 уSMEFT 매개변수 공간의 검증되지 않은 영역을 어떻게 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 기존 LHC, LEP, 그리고 풍미 데이터로 인해 오른쪽 손잡이 중성자를 포함하는 고차원 연산자 계수 중 일부는 여전히 제약되지 않거나 매우 약하게 제약되고 있으며, 이는 주로 테르라스케일에서의 순서 1 계수들이 일반적으로 제약됨에도 불구하고 그렇다.
• 오른쪽 손잡이 중성자가 광자와 표준모형 중성자로 빠르게 붕괴하는 시나리오는 0.1–10 GeV 범위의 질량에서 자연스럽기 때문에, 콜라이더 탐색의 유망한 대상이 된다.
• 기존의 광자 및 미량 에너지를 포함한 최종 상태의 탐색은 매개변수 공간을 완전히 커버하지 못하며, 여전히 상당한 영역이 검증되지 않은 채로 남아 있다.
• 희귀 톰 및 타우 붕괴에 광자를 포함한 탐색 채널이 уSMEFT 매개변수 공간의 나머지 제약되지 않은 영역을 탐색하는 데 있어 유망한 새로운 탐색 채널로 규명되었다.
• 분석 결과, 저에너지 세우 모델에 대한 감도 격차를 메우기 위해 이러한 희귀 붕괴에 대한 전용 실험 탐색이 필수적임을 강조한다.