[论文解读] Phenomenology of the minimal B-L extension of the Standard Model

L. Basso, A. Belyaev+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 9

一句话总结

本文研究了标准模型最小 U(1)_{B-L} 扩展在大型强子对撞机（LHC）中的发现潜力，重点关注 Z′ 规范 boson 和三个重马约拉纳中微子。结果表明，Z′ 衰变为重中微子可产生具有位移顶点的显著多轻子末态，从而实现对 Z′ 和重中微子质量的同时测量，并可通过见-看机制估算轻中微子的质量。

ABSTRACT

We present the Large Hadron Collider (LHC) discovery potential in the $Z'$ and heavy neutrino sectors of a $U(1)_{B-L}$ enlarged Standard Model also encompassing three heavy Majorana neutrinos. This model exhibits novel signatures at the LHC, the most interesting arising from a $Z'$ decay chain involving heavy neutrinos, eventually decaying into leptons and jets. In particular, this signature allows one to measure the $Z'$ and heavy neutrino masses involved. In addition, over a large region of parameter space, the heavy neutrinos are rather long-lived particles producing distinctive displaced vertices that can be seen in the detectors. Lastly, the simultaneous measurement of both the heavy neutrino mass and decay length enables an estimate of the absolute mass of the parent light neutrino. For completeness, we will also compare the LHC and a future Linear Collider (LC) discovery potentials.

研究动机与目标

• 研究在大型强子对撞机（LHC）上，最小 U(1)_{B-L} 扩展中 Z′ 和重马约拉纳中微子物理的发现潜力。
• 识别由 Z′ 衰变为重中微子产生的独特对撞机信号，特别是带有缺失能量和位移顶点的多轻子末态。
• 实现对 Z′ 和重中微子质量的同时测量，并通过见-看机制估算轻中微子的绝对质量。
• 将 LHC 的发现能力与未来直线对撞机（LC）进行比较，特别是在能量扫描模式下。
• 评估多轻子末态中的背景抑制效果，并验证横质量分布用于质量重建的可行性。

提出的方法

• 采用包含 U(1)_{B-L} 规范对称性、三个右手中微子和一个 B-L 电荷 Higgs 单态的最小 B-L 模型，以消除异常并实现对称性破缺。
• 在场基中使 Z′ 与 SM Z 不混合（混合参数 ŝg = 0），以确保清晰的 Z′ 信号。
• 通过狄拉克和马约拉纳 Yukawa 耦合实现见-看机制，生成轻中微子质量并定义重中微子态。
• 在 √s = 13 TeV 条件下，对 pp → ν̄_h ν_h → 3l + 2j + ν̄_l 进行蒙特卡洛模拟，参数为 M_{Z′} = 1.5 TeV，g′ = 0.2，M_{ν_h} = 200 GeV。
• 利用可见粒子（3l + 2j）定义横质量 m_T^2，其峰值位于 M_{Z′} = 1.5 TeV，用于重建 Z′ 质量。
• 应用运动学和探测器接受度截断，并通过要求二喷注不变质量接近 M_W 来抑制背景（t̄t，WZjj）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最小 B-L 模型中，Z′ 衰变为重马约拉纳中微子时，LHC 的主要末态信号是什么？
• RQ2 能否观测到寿命较长的重中微子产生的位移顶点，并用于测量其衰变长度和质量？
• RQ3 如何通过同时测量 Z′ 和重中微子质量，实现对轻中微子绝对质量的确定？
• RQ4 在 M_{Z′}-g′_1 平面中，LHC 与未来直线对撞机相比，其发现潜力如何？
• RQ5 在带有缺失能量和喷注的多轻子末态中，背景抑制能达到何种程度？

主要发现

• 当 M_{ν_h} ≲ M_{Z′}/2 时，Z′ 衰变为重中微子对的分支比可达约 20%，产生清晰的多轻子末态信号。
• 质量约为 200 GeV 且寿命与底夸克相当或更长（τ ~ 10^{-12} s）的重中微子可在 LHC 上产生可探测的位移顶点。
• 横质量分布 m_T^2（基于 3 个轻子和 2 个喷注）在 M_{Z′} = 1.5 TeV 处出现尖锐峰值，可实现对 Z′ 质量的精确测量。
• 通过要求二喷注不变质量接近 W 玻色子质量，t̄t 和 WZjj 过程的背景显著被抑制。
• LHC 在 500 GeV < M_{Z′} < 1 TeV 范围内具有发现潜力，优于固定能量 LC；而能量扫描模式 LC 可探测超出 LHC 探测范围的区域。
• 通过同时测量重中微子的质量和寿命，可反演见-看公式，从而估算轻中微子的绝对质量。