[论文解读] Alternative signatures of the quintuplet fermions at the LHC and future linear colliders

Nilanjana Kumar, Vandana Sahdev|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 77被引用 3

一句话总结

本文提出了针对五重态费米子的替代对撞机搜索策略——这类新奇粒子可能解释中微子质量微小、暗物质以及μ子(g-2)异常。研究考虑这些费米子通过更重的标量粒子衰变的场景，导致非标准信号。在LHC上，当亮度为3000 fb⁻¹时，质量≤980 GeV的双电荷五重态费米子可实现5σ发现；在e⁺e⁻对撞机上，当亮度为1000 fb⁻¹时，质量MΣ ≤700 GeV的单电荷费米子也可实现5σ发现。

ABSTRACT

Large fermionic multiplets appear in different extensions of the Standard Model (SM), which are essential to predict small neutrino masses, relic abundance of the dark matter (DM) and the measured value of muon anomalous magnetic moment (muon (g-2)). Models containing quintuplet of fermions ($\Sigma$), along with other scalar multiplets, can address recent anomalies in the flavor sector while satisfying the constraints from the electroweak physics. In standard scenarios, the exotic fermions couple with the SM particles directly and there exists a strong limit on their masses from collider experiments such as the Large Hadron Collider (LHC). In this paper, we choose a particular scenario where the quintuplet fermions are heavier than the scalars, which is naturally motivated from the muon (g-2) data. A unique nature of these models is that they predict non-standard signatures at the colliders as the quintuplet fermions decay via the scalars once produced at the colliders. We study these non-standard interactions and provide alternative search strategies for these exotic fermions at the LHC and future linear colliders (such as $e^+e^-$ colliders). We also discuss their exclusion and discovery limits. For the doubly charged quintuplet fermion ($\Sigma^{\pm\pm}$), discovery is possible with 5$\sigma$ significance at integrated luminosity of 3000 fb$^{-1}$ at 14 TeV LHC if $M_\Sigma\leq 980$ GeV. For the singly charged quintuplet fermion ($\Sigma^\pm$), the discovery is challenging at LHC but there might be a possibility of 5 $\sigma$ discovery with 1000 fb$^{-1}$ luminosity at $e^+e^-$ collider for $M_\Sigma\leq 700$ GeV.

研究动机与目标

• 探索五重态费米子在通过更重标量粒子衰变而非直接衰变为标准模型粒子时的非标准对撞机信号。
• 解决在质量层次结构导致直接衰变通道被抑制的场景下探测这些新奇费米子的挑战。
• 在LHC和未来e⁺e⁻直线对撞机上提出切实可行的搜索策略，利用更清洁的环境和更高精度实现发现。
• 在实际亮度和能量条件下，评估单电荷和双电荷五重态费米子的发现与排除能力。
• 展示未来直线对撞机（包括γγ和e⁻γ模式）在探测这些新奇态方面的潜力。

提出的方法

• 该研究采用一个包含费米子五重态（Σ）和标量多重态（Φ, Φ̃）的模型，其中五重态费米子质量大于标量粒子，该设定受μ子(g-2)数据的启发。
• 分析非标准衰变链：Σ±± → Σ± ± → ℓ±ℓ± + jets 或 ℓ± + jets，具体取决于末态，这是由于中间标量粒子的衰变所致。
• 在LHC（pp对撞机）和e⁺e⁻对撞机上，利用蒙特卡罗模拟和事件重建技术，对信号和背景进行分析。
• 通过统计显著性（S/√B）和预期信号-背景比计算发现与排除极限，以5σ作为发现阈值。
• 计算e⁺e⁻、γγ和e⁻γ对撞机的截面，重点分析包含多个轻子和喷注的末态。
• 分析包括ℓ⁺ℓ⁻jj不变质量分布以及作为质心系能量和费米子质量函数的截面在内的运动学分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 当五重态费米子通过更重的标量粒子衰变而非直接衰变为标准模型粒子时，其主导的对撞机信号是什么？
• RQ2 在不同亮度和能量条件下，双电荷五重态费米子在LHC与e⁺e⁻对撞机上的发现潜力如何比较？
• RQ3 当LHC因高背景而无法探测到单电荷五重态费米子时，e⁺e⁻对撞机能否提供可行的发现通道？
• RQ4 未来直线对撞机上，单电荷和双电荷五重态费米子实现5σ发现所需的积分亮度是多少？
• RQ5 光子对撞机模式（γγ、e⁻γ）如何提升这些新奇费米子的产生截面和发现能力？

主要发现

• 对于双电荷五重态费米子（Σ±±），在14 TeV质心系能量和3000 fb⁻¹亮度下，LHC可实现≤980 GeV质量范围内的5σ发现。
• 在相同亮度和能量参数下，LHC可将Σ±±的排除极限扩展至1.2 TeV。
• 对于单电荷五重态费米子（Σ±），由于背景过高，LHC上实现5σ发现具有挑战性，但在e⁺e⁻对撞机上，当亮度为1000 fb⁻¹时，质量≤700 GeV的范围可实现5σ发现。
• e⁺e⁻对撞机分析中的通道(A)展现出更优的发现潜力，可在≤20 fb⁻¹亮度下实现MΣ ≤700 GeV的5σ发现。
• e⁺e⁻对撞机中通道(B)的95%排除极限可在少于100 fb⁻¹亮度下实现，表明其具有高灵敏度。
• 在e⁺e⁻对撞机上，Σ±±的产生截面在质心系能量约1–1.5 TeV附近达到峰值，当MΣ = 600 GeV时，截面值可达约0.5 pb。