[論文レビュー] Right-handed neutrinos: the hunt is on!

P. Mermod|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、右巻きニュートリノ—重い中性レプトン（HNL）—の検出を、ずれた頂点（displaced-vertex）のシグネチャーを通じて行う二重実験戦略を提案する。CERNのSHiPビーム・ダンプ実験は、5 GeVまでの質量と、現在の限界よりも数個のオーダー小さい混合強度を持つHNLを探索可能であり、高強度の陽子ビームと最適化された検出器設計により、極めて小さな混合パラメータに対する前例のない感度を実現する。一方、LHCのATLASおよびCMS実験では、Wボソンの崩壊から生じるHNLを対象とし、30 GeVまでの質量範囲をカバーする。SHiPは、小さな混合パラメータに対する前例のない感度を実現するが、LHCの探索は高いWボソン生成断面積を活用してより高い質量領域にアクセスでき、両者で宇宙論的に好ましいパラメータ空間を包括的にカバーする。この空間は、ニュートリノ質量、ダークマター、バリオン非対称性の説明に寄与する。

ABSTRACT

The possibility of the existence of right-handed neutrinos remains one of the most important open questions in particle physics, as they can help elucidate the problems of neutrino masses, matter-antimatter asymmetry, and dark matter. Interest in this topic has been increasing in recent years with the proposal of new experimental avenues by which right-handed neutrinos with masses below the electroweak scale could be detected directly using displaced-vertex signatures. At the forefront of such endeavours, the proposed SHiP proton beam-dump experiment is designed for a large acceptance to new weakly-coupled particles and low backgrounds. It is capable of probing right-handed neutrinos with masses below 5~GeV and mixings several orders of magnitude smaller than current constraints, in regions favoured by cosmology. To probe higher masses (up to 30~GeV), a promising novel approach is to identify displaced vertices from right-handed neutrinos produced in $W$ decays at LHC experiments.

研究の動機と目的

• 右巻きニュートリノの探索を通じて、ニュートリノ質量の起源、物質-反物質非対称性（バリオゲネシス）およびダークマターに関する素粒子物理学における未解決の問題に取り組む。
• 特に、レプトゲネシスおよびダークマターのモデルが好む、電弱スケール未満の質量を有する重い中性レプトン（HNL）のパラメータ空間を調査する。
• 活性ニュートリノへの極めて小さな混合を有するHNLの直接検出を目的とした、二つの補完的実験戦略—SHiPビーム・ダンプとLHCのずれた頂点探索—の開発と評価を行う。
• SHiPが、0.4–5 GeVの質量範囲で、現在の限界よりも数個のオーダー小さいHNLの混合強度（U²）を探索可能であることを示す。
• LHCベースの探索が、ずれた頂点シグネチャーまたは即時の同符号レプトンシグネチャーを用いることで、3–50 GeVの質量範囲で既存のLEP制限を上回ることを示す。

提案手法

• CERN SPSにおける400 GeVの陽子ビーム・ダンプを用い、2×10²⁰プロトン/ターゲットを5年間で実現することで、charmおよびbottomハドロンの崩壊を通じてHNLを生成する。
• 50 mの長さの崩壊空間を設け、LHCbに類似したスペクトロメータを装備し、ミューオン遮蔽および時間分解能が100 ps未塔のタイミング検出器を備えることで、バックグラウンドを抑制し、ずれた頂点をサブ100 psの分解能で特定する。
• ニュートリノ相互作用、長寿命ハドロン、ランダムなトラック交差からの背景イベントを排除するため、アクティブな遮断システムおよび頂点再構築技術を適用する。
• 背景レベルの推定と検出器の受容率最適化のため、シミュレーションを用い、特にずれた頂点から発する反符号トラックの再構築に注目する。
• ATLASおよびCMSでの専用解析を設計し、Wボソン崩壊から生成されるHNLを、ハドロン的およびレプトン的崩壊のずれた頂点シグネチャー、および高質量領域では即時の同符号レプトンシグネチャーを用いて探索する。
• 運動量的カット（例：ハドロンチャンネルで4.5 GeV以上の頂点質量閾値）を適用し、現実的な効率（例：20%の頂点選別、60%のトリガー効率）を仮定して感度をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SHiP実験は、0.4–5 GeVの質量範囲で、現在の実験的限界よりも数個のオーダー小さいHNLの混合強度（U²）を探索可能か？
• RQ2 LHC（ATLASおよびCMS）におけるずれた頂点探索は、3–30 GeVの質量を持つHNLについて、既存のLEP制限をどの程度上回ることができるか？
• RQ3 SHiPとLHCベースの探索の組み合わせは、ニュートリノ質量、ダークマター、バリオン非対称性を同時に説明できる宇宙論的に好ましいパラメータ空間をカバーできるか？
• RQ4 SHiP検出器において、時間分解能とアクティブなミューオン遮蔽は、ミューオンおよびランダムなトラック交差からのバックグラウンドをどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ5 ずれた頂点または即時の同符号レプトンシグネチャーを用いたLHCの専用解析の期待される感度は何か？また、既存の制限と比較してどうなるか？

主な発見

• シミュレーションに基づき、2×10²⁰プロトン/ターゲットを想定した場合、SHiPは0.4–5 GeVの質量範囲でHNLの混合強度（U²）を約10⁻¹⁰まで探査可能であり、現在の限界よりも数個のオーダー小さい。
• ATLASおよびCMSにおけるLHCベースのずれた頂点探索は、3–50 GeVの質量範囲で、既存のLEP制限を上回ると予想され、感度は仮定された効率およびバックグラウンドレベルにのみ制限される。
• 即時の同符号レプトンシグネチャーを用いたLHCの専用解析は、HNLの質量が500 GeVまで探査可能であるが、レプトゲネシスにとって最も関連性のある領域は完全にはカバーされない。
• SHiPとLHCベースの探索の組み合わせにより、HNLのパラメータ空間が補完的にカバーされ、SHiPは低質量・極小混合領域を、LHCはWボソン崩壊を通じて高質量領域をカバーする。
• シミュレーションの結果、時間分解能（100 ps）と頂点再構築によるバックグラウンド抑制は、ランダムなトラック交差および長寿命ハドロンからの誤検出を効果的に低減できる。
• 予想される感度曲線（青：SHiP、赤および紫：ATLAS/CMS）は、両アプローチが、HNLがニュートリノ質量、ダークマター、バリオン非対称性を説明できる宇宙論的に好ましい領域にアクセス可能であることを示している。