[논문 리뷰] Hadron Collider Tests of Neutrino Mass-Generating Mechanisms

Richard Ruíz|D-Scholarship@Pitt (University of Pittsburgh)|2015. 09. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 85인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 렙톤 수 위반 신호에 기반하여 LHC에서 무거운 메이저라네 중성미오와 $W^\prime$ 게이지 보손의 발견 가능성을 조사한다. 주로 같은 전하의 이레프톤 최종 상태에 초점을 맞춘다. 스핀 상관관계 분석을 통해 $W^\prime \to N\ell^\pm$ 붕괴에서 $W^\prime$의 카이랄 쌍대성 및 $N$의 메이저라네 성질을 명확히 식별할 수 있으며, 90 fb$^{-1}$ 루미노사티가 있을 경우 $M_{W^\prime} = 3$ TeV에서 5$\sigma$의 신호를 기대할 수 있다.

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics (SM) is presently the best description of nature at small distances and high energies. However, with tiny but nonzero neutrino masses, a Higgs boson mass unstable under radiative corrections, and little guidance on understanding the hierarchy of fermion masses, the SM remains an unsatisfactory description of nature. Well-motivated scenarios that resolve these issues exist but also predict extended gauge (e.g., Left-Right Symmetric Models), scalar (e.g., Supersymmetry), and/or fermion sectors (e.g., Seesaw Models). Hence, discovering such new states would have far-reaching implications. After reviewing basic tenets of the SM and collider physics, several beyond the SM (BSM) scenarios that alleviate these shortcomings are investigated. Emphasis is placed on the production of a heavy Majorana neutrinos at hadron colliders in the context of low-energy, effective theories that simultaneously explain the origin of neutrino masses and their smallness compared to other elementary fermions, the so-called Seesaw Mechanisms. As probes of new physics, rare top quark decays to Higgs bosons in the context of the SM, the Types I and II Two Higgs Doublet Model (2HDM), and the semi-model independent framework of Effective Field Theory (EFT) have also been investigated. Observation prospects and discovery potentials of these models at current and future collider experiments are quantified.

연구 동기 및 목표

• 레프톤 수 위반 신호를 이용하여 LHC에서의 무거운 메이저라네 중성미오($N$)와 $W^\prime$ 게이지 보손의 발견 가능성을 평가한다.
• $W^\prime \to N\ell^\pm$ 붕괴에서의 스핀 상관관계가 $W^\prime$의 렙톤과 쿼크에 대한 카이랄 쌍대성을 식별할 수 있는지 확인한다.
• 같은 전하의 이레프톤 및 다른 전하의 이레프톤 최종 상태의 운동량 분포를 이용하여 $N$의 메이저라네 성질을 디르악 페르미온과 구별할 수 있는지 분석한다.
• 14 TeV 및 100 TeV LHC 에너지에서 $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 최종 상태의 신호 선택 및 배경 제거를 최적화한다.
• 중성미오 질량 생성 메커니즘의 고에너지 물리학적 특성에 기반하여 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색하기 위한 모델 독립적 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 현재 실험적 제약 조건을 반영한 모델 독립적 효과 이론(EFT) 프레임워크에서 $W^\prime$ 및 $N$의 쌍대성을 모델링한다.
• 하드론 충돌기에서 Drell-Yan 및 광자 유도 반응을 통한 $W^\prime$ 및 $N$ 생성의 부분형 반응단면적을 계산한다.
• $N$ 붕괴 생성물의 재구성과 $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 최종 상태의 분리에 대해 운동량 절단 및 검출기 스메어링을 적용한다.
• $N$의 정지 프레임에서의 극각 및 생성 및 붕괴 평면 간의 애자이뮬 각도를 이용하여 $W^\prime$의 카이랄 쌍대성을 탐색한다.
• 실제 검출기 조건 하에서 이론적 예측과 재구성된 분포를 비교하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• $M_{W^\prime} = 3$ TeV 및 $4$ TeV에서 90 fb$^{-1}$ 및 1 ab$^{-1}$ 루미노사티 조건에서 통계적 유의도 및 발견 가능성을 평가하며, $5\sigma$ 기준을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동량 프레임에서 $N$의 정지 프레임에서 최종 상태 렙톤의 각도 분포를 통해 $W^\prime$의 렙톤에 대한 카이랄 쌍대성을 식별할 수 있는가?
• RQ2 생성 및 붕괴 평면 간의 애자이뮬 상관관계를 통해 $W^\prime$의 초기 상태 쿼크에 대한 카이랄 쌍대성을 탐색할 수 있는가?
• RQ3 스핀 상관관계로 인해 같은 전하의 이레프톤 최종 상태와 다른 전하의 이레프톤 최종 상태의 운동량 분포는 어떻게 다를 수 있으며, 이를 통해 메이저라네 $N$과 디르악 $N$을 구별할 수 있는가?
• RQ4 14 TeV LHC에서 $M_{W^\prime} = 3$ TeV인 $W^\prime_{R}$를 $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 최종 상태를 통해 $5\sigma$ 발견 가능성을 확보하기 위해 필요한 루미노사티는 얼마인가?
• RQ5 하드론 충돌기에서 $\gamma$-유도 반응을 고려할 경우 $N$의 총 생성 단면적에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $M_{W^\prime} = 3$ TeV인 $W^\prime_{R}$에 대해 14 TeV LHC에서 90 fb$^{-1}$의 통합 루미노사티로 $5\sigma$의 신호를 확보할 수 있으며, $M_{W^\prime} = 4$ TeV일 경우 1 ab$^{-1}$로도 가능하다.
• $N$의 정지 프레임에서 최종 상태 렙톤의 극각 분포는 스핀 상관관계로 인해 $L$-보존과 $L$-위반 경우에서 부호가 반전되며, 이는 $W^\prime$의 카이랄 쌍대성을 식별하는 데 유용하다.
• $N$의 생성 및 붕괴 평면 간의 애자이뮬 각도 분포는 초기 상태 쿼크에 대한 $W^\prime$의 카이랄 쌍대성에 민감하며, 직접적으로 $W^\prime$의 쌍대성을 탐색할 수 있다.
• $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 최종 상태의 총 단면적은 전하 켤레 대칭에 대해 불변이며, 이는 같은 전하의 최종 상태와 다른 전하의 최종 상태 간의 차이가 오직 각도 상관관계에서 기인한다는 것을 확인한다.
• 같은 전하의 이레프톤 최종 상태와 다른 전하의 이레프톤 최종 상태의 운동량 분포는 상호 보완적이며, 메이저라네 중성미오 붕괴에서 스핀 전환 효과로 인해 기울기가 반대가 된다.
• $N$의 오른쪽 성분이 크면 $W^\prime_{R}$의 $N$에 대한 쌍대성이 지배적이며, 이는 $W^\prime_{L}$에 비해 신호 강도가 크게 증가함을 의미한다.