[论文解读] Lepton Number Violation: Seesaw Models and Their Collider Tests

Yi Cai, Tao Han+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 281被引用 21

一句话总结

本文综述了类型 I、II 和 III 的跷跷板模型作为通过轻子数破坏生成极小中微子质量的可行框架，提出其在实验中探测的对撞机信号。文章更新了在 $e^+e^-$、$ep$ 和 $pp$ 对撞机中轻子数破坏信号的预测，强调了产生与衰变道，并利用现有蒙特卡罗工具识别出未来对撞机中可达数 TeV 的发现范围。

ABSTRACT

The Majorana nature of neutrinos is strongly motivated from the theoretical and phenomenological point of view. A plethora of neutrino mass models, known collectively as Seesaw models, exist that could generate both a viable neutrino mass spectrum and mixing pattern. They can also lead to rich, new phenomenology, including lepton number non-conservation as well as new particles, that may be observable at collider experiments. It is therefore vital to search for such new phenomena and the mass scale associated with neutrino mass generation at high energy colliders. In this review, we consider a number of representative Seesaw scenarios as phenomenological benchmarks, including the characteristic Type I, II, and III Seesaw mechanisms, their extensions and hybridizations, as well as radiative constructions. We present new and updated predictions for analyses featuring lepton number violation and expected coverage in the theory parameter space at current and future colliders. We emphasize new production and decay channels, their phenomenological relevance and treatment across different facilities in $e^+e^-$, $e^-p$ and $pp$ collisions, as well as the available Monte Carlo tools available for studying Seesaw partners in collider environments.

研究动机与目标

• 系统分析类型 I、II 和 III 见跷跷板模型作为轻子数破坏实现的唯象学。
• 识别并表征与不同对撞机中跷跷板伙伴相关的对撞机信号——特别是轻子数破坏过程。
• 在当前和未来对撞机数据的背景下，提供跷跷板模型参数空间的最新覆盖。
• 汇编并推荐可用于模拟对撞机环境中跷跷板粒子产生与衰变的可用蒙特卡罗工具。
• 评估当前和未来对撞机对跷跷板模型中新物理尺度的敏感度，包括辐射中微子质量机制。

提出的方法

• 通过有效场论分析最小跷跷板机制（类型 I、II、III），重点研究维度-5 的 Weinberg 作用算符作为紫外完成。
• 推导在 $pp$、$e^+e^-$ 和 $ep$ 碰撞中跷跷板伙伴（如重中性/荷电轻子、双荷荷色希格斯）的产生与衰变率。
• 使用蒙特卡罗模拟建模信号事例，并估算在 LHC 及更远范围内 $M_N \gtrsim 800$ GeV 的发现范围。
• 利用中微子振荡数据和低能实验的约束来固定基准情景。
• 考虑混合跷跷板模型和辐射模型（如 Zee-Babu）中具有双荷标量和轻子偶素的情况。
• 应用运动学和分支比约束，预测直接搜索中的信号拓扑结构（如同号双轻子、喷胶+轻子）

实验结果

研究问题

• RQ1 在类型 I、II 和 III 见跷跷板模型中，跷跷板伙伴的主要对撞机产生与衰变道是什么？
• RQ2 当前和未来的对撞机——LHC、未来的 $pp$ 对撞机、$e^+e^-$ 和 $ep$ 机器——如何覆盖跷跷板模型的参数空间？
• RQ3 在轻子数破坏末态中，对重中性轻子、双荷荷色希格斯玻色子和向量型三重态轻子的敏感度如何？
• RQ4 跷跷板模型中的味结构如何影响轻子味破坏过程？与轻子数破坏信号相比，其可观测性如何？
• RQ5 在 LHC 和未来对撞机中，如 Zee-Babu 模型等辐射跷跷板模型的关键信号与发现极限是什么？

主要发现

• 在类型 I 和 III 见跷跷板模型背景下，当前 LHC 在 13 TeV 下的搜索已排除质量低于约 800 GeV 的重中性轻子。
• LHC 对类型 II 见跷跷板模型中的双荷荷色希格斯玻色子设定了下限，$M_{H^{\pm\pm}} \gtrsim 800$ GeV，随着亮度和能量升级，灵敏度预计可扩展至超过 1 TeV。
• 未来的 100 TeV $pp$ 对撞机可探测高达数 TeV 的跷跷板伙伴，显著扩展了超越 LHC 的探测范围。
• 在 Zee-Babu 模型中，ATLAS 已排除 $k^{\pm\pm}$ 质量低于 660–760 GeV 的情况（当分支比完全为同号双轻子时），高亮度 LHC 的灵敏度可达约 1 TeV。
• 具有色标量或轻子偶素的辐射跷跷板模型产生同号双轻子 + 喷胶末态，目前仍研究不足，但提供了有希望的发现通道。
• 跷跷板模型中的轻子味破坏过程通常具有比轻子数破坏信号更大的截面，因此在高能和低能实验中均更具可观测性。