[논문 리뷰] Fourth Generation Lepton Sectors with Stable Majorana Neutrinos: From LEP to LHC

Linda M. Carpenter|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 안정된 Majorana 중성자와 함께 네 번째 세대 렙톤 섹터를 조사하며, Z 보손의 투명 폭에 기반한 LEP 제약 조건을 재분석하고, 네 렙톤 + 미량 에너지 최종 상태에서 새로운 LHC 탐색 전략을 제안한다. 혼합 유도 감소로 인해 Z 붕괴가 억제됨에 따라 가벼운 Majorana 중성자 질량의 하한선이 33.5 GeV으로 완화되며, 13 TeV LHC에서 30 fb⁻¹의 데이터로 N₁에 대해 100–180 GeV, N₂에 대해 150–250 GeV의 질량 평면에서 배제 가능성이 예측된다.

ABSTRACT

I analyze a fourth generation lepton sector in which the lightest particle is a stable Majorana neutrino. In this scenario fourth generation neutrinos have both a Dirac and Majorana mass, resulting in two Majorana neutrino mass eigenstates. A reanalysis of LEP's lower mass bound is performed on stable Majorana neutrinos from the Z width and the lower mass bound is loosened. I also extrapolate LEP's SUSY squark search with a 2 jet plus missing missing energy final state to the production and decay of a pair of heavy Majorana neutrinos; here it is expected that significant regions of the neutrino mass plane may be ruled out. Finally, a search strategy is proposed for heavy fourth generation neutrino pairs at LHC in the four lepton plus missing energy channel. Exclusions are set in the neutrino mass plane for 30 inverse fb of data at LHC for 13 TeV.

연구 동기 및 목표

• 업데이트된 Z 보손의 투명 폭 제약 조건을 활용하여 네 번째 세대 렙톤 섹터에서 안정된 Majorana 중성자에 대한 질량 하한선을 재평가하는 것.
• 중성자 쌍의 생성과 붕괴를 제약하기 위해 LEP의 SUSY 스퀴어크 탐색(2-제트 + 미량 에너지 채널)을 활용할 수 있는지 탐색하는 것.
• 중성자 쌍의 질량 평면을 탐색하기 위해 LHC에서 네 렙톤 + 미량 에너지 최종 상태에서 새로운 탐색 전략을 제안하는 것.
• 실제 실험적 컷과 배경 추정치를 고려하여 LHC가 네 번째 세대 중성자 쌍에 대해 얼마나 민감한지를 정량화하는 것.

제안 방법

• 중성자 혼합 역할로 인한 Z 결합 감소를 고려하여 안정된 Majorana 중성자에 대한 투명 Z 폭 제약 조건을 재계산하였다.
• SUSY 스퀴어크 탐색을 위해 LEP에서 사용된 2-제트 + 미량 에너지 탐색을 중성자 쌍의 생성 및 붕괴를 제약하기 위해 적응시켰다.
• MADGRAPH를 사용한 신호 생성, BRIDGE를 통한 붕괴 시뮬레이션, PYTHIA를 통한 샤워링을 활용하여 LHC에서 4ℓ + Eₜ̸ 최종 상태에 대한 민감도 분석을 제안하였다.
• 운동량 컷 적용: 4개의 고립 렙톤, 가장 에너지가 높은 렙톤의 pT > 15 GeV, 나머지 렙톤의 pT > 5 GeV, Eₜ̸ > 50 GeV, 제트 제한(N_jet < 2).
• N₁–N₂ 질량 평면 전역에서 신호 수용율과 생성 단면적을 추정하였으며, 배경 추정은 ZZ 및 γZ 과정을 기반으로 하였다.
• 관측된 신호 수용율과 배경 제거율을 사용하여 95% 신뢰수준에서 배제 한계를 생성하였으며, 특히 높은 Eₜ̸ 컷으로 인해 효과적이었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네 번째 세대 중성자에 Dirac 및 Majorana 질량이 모두 존재할 경우 Z 보손의 투명 폭에 어떤 영향을 미치며, 이로 인해 가장 가벼운 Majorana 중성자 질량의 하한선은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 LEP의 2-제트 + 미량 에너지 탐색 전략이 SUSY 스퀴어크 탐색에서 유도된 것으로, 네 번째 세대의 무거운 Majorana 중성자 쌍을 제약하기 위해 얼마나 잘 활용될 수 있는가?
• RQ3 LHC에서 네 렙톤 + 미량 에너지 최종 상태는 중성자 쌍을 발견하기 위한 타당하고 배경이 억제된 채널이 될 수 있는가?
• RQ4 제안된 4ℓ + Eₜ̸ 탐색 전략을 사용하여 13 TeV LHC에서 30 fb⁻¹의 데이터로 N₁과 N₂의 질량 범위를 95% 신뢰수준에서 어느 정도 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 혼합 유도 감소로 인해 Z 결합이 억제됨에 따라, 두 개의 Majorana 중성자 질량 고유상태가 존재함에 따라 가장 가벼운 Majorana 중성자 질량의 하한선이 39.5 GeV에서 33.5 GeV으로 완화된다.
• LEP의 2-제트 + 미량 에너지 최종 상태는 특히 더 무거운 중성자 N₂가 진동 상태로 생성되는 영역에서 N₁–N₂ 질량 평면을 제약하는 데 기여한다.
• 네 렙톤 + 미량 에너지 최종 상태는 매우 억제된 배경을 제공하며, ZZ 및 γZ 시뮬레이션에서 이벤트가 발견되지 않아 신호 탐지에 이상적인 조건을 제공한다.
• 30 fb⁻¹의 13 TeV LHC 데이터로 제안된 탐색 전략을 사용하여 N₁ 질량은 100에서 180 GeV, N₂ 질량은 150에서 250 GeV 범위에서 95% 신뢰수준에서 배제 가능성이 있다.
• N₂ 질량이 N₁보다 훨씬 무거울 때 신호 수용율이 최고에 도달하며, N₂ 질량이 운동역학적 한계에 가까워질수록 최종 상태 렙톤의 에너지가 낮아져 수용율이 감소한다.
• 이 연구는 가벼운 중성자가 안정적일 경우 네 번째 세대의 렙톤을 탐지하는 데서의 과제를 부각시키며, W + N₁ 최종 상태가 QCD 및 W+jets 배경에 의해 압도당할 수 있음을 시사한다.