[论文解读] Optimal search reach for heavy neutral leptons at a muon collider

Krzysztof Mȩkała, Jürgen Reuter+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

该论文表明，在多TeV质量范围内，μ子对撞机对重中性轻子（HNLs）的探测能力最优，其优势在于高能量、洁净的环境以及对微小混合参数的更高灵敏度，超越了电子-positron对撞机和强子对撞机。研究显示，即使在质心系能量以上发生非共振HNL产生时，μ子对撞机仍优于其他对撞机，尤其在Z玻色子峰以外的质量区域表现更优。

ABSTRACT

Neutrinos are the most elusive particles known. Heavier sterile neutrinos mixing with the standard neutrinos might solve the mystery of the baryon asymmetry of the universe. In this letter, we show that among all future energy frontier accelerators, muon colliders will provide the farthest search reach for such neutrinos for mass ranges above the Z pole into the multi-TeV regime, becoming the optimal machine for this kind of studies. We compare the performance of muon with electron colliders of the same machine energy and briefly discuss the complementarity in flavor space between the two types of accelerators.

研究动机与目标

• 评估μ子对撞机在多TeV能区探测重中性轻子（HNLs）的发现潜力。
• 比较μ子对撞机与电子-positron对撞机及强子对撞机在HNL探测中的灵敏度。
• 评估μ子对撞机在探测Z玻色子峰以上质量HNLs（包括非共振产生）时的表现。
• 探讨μ子对撞机与电子-positron对撞机在HNL耦合约束的味空间中的互补性。

提出的方法

• 研究采用单个重狄拉克中微子（N）的I型 seesaw 机制，且对所有标准模型轻子的耦合相等，使用UFO格式的HeavyN模型。
• 事件生成使用WHIZARD 3.0.2在Leading Order下完成，包括通过PYTHIA 6实现的 parton showering 和 hadronization。
• 探测器响应通过DELPHES 3.5.0模拟，使用针对μ子对撞机的探测器配置卡。
• 分析聚焦于qqlν信号道（HNL衰变为qqℓ），以实现直接质量重建。
• 计算了通过t通道W交换（μ⁺μ⁻ → Nν）的共振与非共振HNL产生截面，应用了亮度与能量缩放。
• 针对3 TeV和10 TeV的μ子对撞机运行，分别在1 ab⁻¹和10 ab⁻¹积分亮度下，推导出混合参数V²_lN的极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 与其它未来对撞机相比，μ子对撞机对重中性轻子的最大质量探测范围是多少？
• RQ2 μ子对撞机在HNL探测中的灵敏度与ILC和CLIC等电子-positron对撞机相比如何？
• RQ3 即使产生过程为非共振（质量超过质心系能量），μ子对撞机是否仍能探测HNL？
• RQ4 束流极化、亮度谱分布以及束流诱导背景对e+e−与μ+μ−对撞机灵敏度比较有何影响？
• RQ5 μ子对撞机与电子-positron对撞机之间的协同作用如何改善HNL耦合在味空间的约束？

主要发现

• 在10 TeV能量、10 ab⁻¹积分亮度下运行的μ子对撞机，在多TeV质量区间的重中性轻子探测中达到最灵敏的探测范围。
• 对于Z玻色子峰以上的HNL质量，μ子对撞机在所有未来能量前沿对撞机中提供了最远的发现探测范围。
• 即使在非共振HNL产生（质量超过质心系能量）的情况下，μ子对撞机仍优于强子对撞机，并且相比e+e−对撞机保持更高的灵敏度。
• 在3 TeV能量下，μ子对撞机的极限优于CLIC（3 TeV，4 ab⁻¹）和ILC（1 TeV，3.2 ab⁻¹），尤其在高质质量区域，这得益于更低的束流诱导背景和更优的亮度谱分布。
• 在3 TeV下CLIC与μ子对撞机极限的差异源于积分亮度、束流极化和束流能谱效应的差异，而非内在性能差异。
• 研究证实，即使HNL不在壳，μ子对撞机仍是通过微小混合参数探测高能尺度UV完备性的最优选择。