[论文解读] Search for Heavy Right Handed Neutrinos at the FCC-ee

A. Blondel, E. Graverini+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用 33

一句话总结

该论文提出在未来环形电子-正电子对撞机（FCC-ee）上直接搜索重的右手中微子，利用其在Z玻色子共振能区的高亮度 $e^+e^-$ 碰撞。通过利用由于混合角极小而导致的重中微子长衰变长度，研究表明对质量在10–80 GeV/$c^2$ 范围内的中微子，灵敏度可达 $|U|^2 \sim 10^{-12}$，覆盖了跷跷板模型参数空间的广大区域。

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics is still lacking an understanding of the generation and nature of neutrino masses. A favorite theoretical scenario (the see-saw mechanism) is that both Dirac and Majorana mass terms are present, leading to the existence of heavy partners of the light neutrinos, presumably massive and nearly sterile. These heavy neutrinos can be searched for at high energy lepton colliders of very high luminosity, such as the Future electron-positron e+e- Circular Collider, FCC-ee (TLEP), presently studied within the Future Circular Collider design study at CERN, as a possible first step. A first look at sensitivities, both from neutrino counting and from direct search for heavy neutrino decay, are presented. The number of neutrinos should be measurable with a precision between 0.001 - 0.0004, while the direct search appears very promising due to the long lifetime of heavy neutrinos for small mixing angles. A sensitivity down to a heavy-light mixing of 10^{-12} is obtained, covering a large phase-space for heavy neutrino masses between 10 and 80 GeV/c2.

研究动机与目标

• 研究在高亮度 $e^+e^-$ 对撞机 FCC-ee 上探测重右手中微子的可行性。
• 通过跷跷板机制填补标准模型在中微子质量生成方面的理论空白。
• 探索 FCC-ee 对混合角极小的惰性中微子的探测灵敏度，这些参数此前的对撞机无法探测。
• 评估中微子计数法与直接衰变拓扑方法在探测长寿命重中微子方面的表现。
• 确定 FCC-ee 在探测与重子生成及暗物质相关的重中微子质量与混合角参数空间方面的覆盖范围。

提出的方法

• 利用 FCC-ee 在 90 至 350 GeV 的质心系能量下进行高亮度 $e^+e^-$ 碰撞，特别关注 Z 玻色子共振能区（$\sqrt{s} \approx 91$ GeV）。
• 分析 $Z \to \nu N$ 衰变过程，其中 $N$ 为具有小混合 $|U|^2$ 的重右手中微子。
• 利用由于小混合导致的中微子长衰变长度，通过探测器中位移顶点拓扑结构实现探测。
• 应用拓扑重建技术识别 $N \to \ell W$ 衰变，其中 $W$ 玻色子发生强子衰变，实现完全重建。
• 通过蒙特卡洛模拟进行灵敏度研究，估算不同探测器尺寸下的信号产额与背景抑制效果。
• 与 SHiP 实验的灵敏度进行比较，尤其在质量范围至粲夸克质量以下的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 FCC-ee 是否能够实现足够灵敏度，探测混合角小至 $|U|^2 \sim 10^{-12}$ 的重右手中微子？
• RQ2 由于小混合角导致的重中微子长衰变长度，如何增强位移顶点的可探测性？
• RQ3 FCC-ee 对质量在 10 至 80 GeV/$c^2$ 范围内的重中微子，其预期灵敏度如何？
• RQ4 与中微子计数法相比，通过 $Z \to \nu N$ 衰变拓扑结构进行直接搜索的灵敏度如何？
• RQ5 在位移顶点信号中，大气中微子及其他过程的背景能在多大程度上被抑制？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 105$ GeV 下运行一年，FCC-ee 可实现中微子计数精度 $\Delta N_\nu \approx \pm(0.0004 - 0.0010)$，从而对 $|U|^2 \sim 3 \times 10^{-4}$ 实现探测灵敏度。
• 通过 $Z \to \nu N$ 衰变中的位移顶点直接搜索，对质量在 30 至 80 GeV/$c^2$ 范围内的重中微子，灵敏度可达 $|U|^2 \sim 10^{-12}$。
• 当探测器半径为 5 m 时，若衰变长度在 100 $\mu$m 至 1 m 之间，可完全覆盖重中微子的感兴趣区域。
• FCC-ee 的蟹钳束流结构可将 $Z^0$ 产生率提高至 $10^{13}$ 个事件，从而增强对稀有衰变的探测灵敏度。
• 由于严格的顶点重建与飞行时间要求，大气中微子背景可忽略不计。
• FCC-ee 的灵敏度区域覆盖了与重子生成及暗物质候选者相关的全部质量范围，在 30–80 GeV 范围内超越了 SHiP 实验的探测能力。