[论文解读] Dilepton events with displaced vertices, double beta decay, and resonant leptogenesis with Type-II seesaw dominance, TeV scale $Z'$ and heavy neutrinos

Bidyut Prava Nayak, M. K. Parida|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出了两种SO(10)大统一模型，具有二级 seesaw 优势、TeV尺度的$Z'$玻色子以及重的惰性中微子，能够同时解释无中微子双贝塔衰变、共振重子生成以及位移顶点二轻子信号。研究表明，约1–10 GeV量级的第一或第二代惰性中微子可介导双贝塔衰变和同号二轻子事例（如$eejj$、$\mu\mu jj$），且标准模型背景被抑制；而共振重子生成则通过近简并的重中微子对实现，提供了一个可证伪的框架，统一解释重子不对称性、中微子质量以及味违反现象。

ABSTRACT

In a class of Type-II seesaw dominated $SO(10)$ models proposed recently with heavy neutrinos, extra $Z'$ boson, and resonant leptogenesis, at first we show that the lightest first generation sterile neutrino that mediates dominant contributions to neutrinoless double beta decay also generates the displaced vertex leading to verifiable like-sign di-electron as well as di-muon production events outside the LHC detectors having suppressed standard model back-ground and missing energy. Resonant leptogenesis in this case is implemented by a pair of quasi-degenerate sterile neutrinos of the second and the third generations having masses of ${\cal O}(500)$ GeV. Then we predict a new alternative scenario where the models allow the second generation sterile neutrino mass to be ${\cal O}(10)$ GeV capable of mediating the dominant double beta decay as well as the displaced vertices for significantly improved number of like-sign dilepton events in different channels. Resonant leptogenesis in this alternative scenario is mediated by a pair of heavy quasi-degenerate sterile neutrino masses of the first and the third generations. In addition to QD type light neutrino mass hierarchy, we also show how these results are derived for the NH case. We also discuss $Z'$ production cross sections at $\sqrt s =14 $ TeV run-II of LHC and also at ILC. While the lepton flavour violating branching ratios are only few to four orders less than the current experimental bounds, proton lifetime predictions are accessible to ongoing Super K. or Hyper K. searches.

研究动机与目标

• 通过二级 seesaw 优势，在单一框架中统一中微子质量生成、重子不对称性及轻子味违反。
• 识别可介导无中微子双贝塔衰变与位移顶点二轻子事例的可行惰性中微子质量（~1–10 GeV）。
• 通过质量约500 GeV的近简并重惰性中微子对实现共振重子生成，与观测到的重子不对称性一致。
• 预测LHC与ILC中可观测的$Z'$信号，其截面与分支比可由当前实验检验。
• 确保与轻子中微子质量顺序（NH与QD）及质子寿命预测（Super-K/Hyper-K可探测）的宇宙学约束相容。

提出的方法

• 在非SUSY的SO(10)模型中实现两步对称性破缺链$SO(10) \to G_{2213D} \to G_{2113} \to SM$，并使$Z'$玻色子质量处于TeV量级。
• 通过左手中性三重态$\Delta_L$的诱导真空期望值实现二级 seesaw 优势，并通过微调抑制线性 seesaw 项。
• 利用约1–10 GeV量级的惰性中微子质量，使其主导贡献于无中微子双贝塔衰变，并在$l^+l^-jj$末态中产生位移顶点。
• 通过来自不同世代的近简并重惰性中微子对（质量~500 GeV）实现共振重子生成，其与轻子味的耦合呈层级结构。
• 计算在$\sqrt{s} = 14$ TeV的LHC与ILC中$Z'$的产生截面，重点关注$l^+l^-$与$W^+W^-$末态中的峰结构探测。
• 应用非幺正效应与LFV分支比约束模型参数，同时预测质子寿命以供Super-K/Hyper-K实验检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个具有二级 seesaw 优势的单一SO(10)模型能否同时解释无中微子双贝塔衰变、位移顶点二轻子信号与共振重子生成？
• RQ2 哪些可行的惰性中微子质量可介导双贝塔衰变与同号二轻子事例，且标准模型背景被抑制？
• RQ3 如何通过近简并的重惰性中微子实现共振重子生成，同时与重子不对称性及中微子振荡数据保持一致？
• RQ4 LHC与ILC中可观测的$Z'$信号是什么？能否与标准模型背景区分开？
• RQ5 该模型对质子寿命与轻子味违反的预测是否与当前实验约束及未来实验灵敏度一致？

主要发现

• 质量约为1–10 GeV的惰性中微子可主导贡献于无中微子双贝塔衰变，并在同号二轻子事例（$eejj$、$\mu\mu jj$、$e\mu jj$）中产生位移顶点，且标准模型背景被抑制。
• 在$eejj$通道中，需对第二个电子施加低动量截断才能被观测到；而$e\tau jj$与$\mu\mu jj$通道在50–300 fb$^{-1}$亮度下可预测显著的事件率。
• 在第一种情形中，共振重子生成通过第二与第三代的近简并重惰性中微子对（~500 GeV）实现；在替代情形中，由第一与第三代实现。
• 预测$Z'$玻色子质量$M_{Z'} = 3.5$ TeV在$l^+l^-$通道中具有0.52 fb/GeV的峰值截面，即使在中等亮度下也能探测到明显的共振结构。
• 轻子味违反分支比预测为当前实验限制的几倍至四阶以下，未来实验可检验。
• 质子寿命预测处于当前Super-K与Hyper-K探测范围之内，增强了该模型的可证伪性。