[论文解读] The effective field theory of low scale see-saw at colliders

Anke Biekötter, M. Chala+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 49被引用 7

一句话总结

本文在未破缺标准模型有效场论（uSMEFT）框架下研究了低尺度 seesaw 机制，重点关注质量在 0.1 至 10 GeV 之间的右手上/下夸克中微子，其衰变模式为快发性光子与标准模型中微子。尽管已有 LHC 和 LEP 的约束，仍存在大量未被充分约束的算符系数，本文提出针对罕见 top 与 tau 衰变中包含光子的专门搜索，以探测尚未被检验的参数空间。

ABSTRACT

We study the Standard Model effective field theory ($ u$SMEFT) extended with operators involving right-handed neutrinos, focussing on the regime where the right-handed neutrinos decay promptly on collider scales to a photon and a Standard Model neutrino. This scenario arises naturally for right-handed neutrinos with masses of the order $m_N \sim 0.1 \dots 10\, ext{GeV}$. We limit the relevant dimension-six operator coefficients using LEP and LHC searches with photons and missing energy in the final state as well as pion and tau decays. While bounds on new physics contributions are generally in the TeV scale for order one operator coefficients, some coefficients, however, remain very poorly constrained or even entirely evade bounds from current data. Consequently, we identify such weakly constrained scenarios and propose new searches for rare top and tau decays involving photons to probe potential new physics in the $ u$SMEFT parameter space. Our analysis highlights the importance of performing dedicated searches for new rare tau and top decays.

研究动机与目标

• 分析 uSMEFT 框架下质量在 0.1–10 GeV 范围内的右手上/下夸克中微子的唯象学特性。
• 利用现有的 LHC、LEP 和味物理数据，评估涉及右手上/下夸克中微子的六维算符的约束条件。
• 识别当前实验数据尚未充分约束或完全未被约束的算符系数。
• 提出针对罕见 top 与 tau 衰变中含光子的对撞机新搜索策略，以探测剩余未被检验的参数空间。

提出的方法

• 构建包含涉及右手上/下夸克中微子的六维算符的 uSMEFT 拉格朗日量。
• 聚焦于右手上/下夸克中微子迅速衰变为光子与标准模型中微子的参数区域，该区域与对撞机信号密切相关。
• 应用 LHC 和 LEP 中末态包含光子与缺失能量的搜索结果施加约束。
• 利用 π 介子与 tau 介子衰变的精密测量结果，限制新物理贡献。
• 系统性扫描算符系数，识别实验敏感度较弱的区域。
• 提出针对罕见 top 与 tau 衰变中含光子的对撞机新搜索策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些涉及右手上/下夸克中微子的六维算符系数仍由当前 LHC、LEP 和味物理数据约束较弱？
• RQ2 质量为 0.1–10 GeV 的右手上/下夸克中微子的衰变模式如何影响包含光子与缺失能量的对撞机信号？
• RQ3 当前对某些算符系数缺乏敏感度，对低尺度 seesaw 物理的发现意味着什么？
• RQ4 罕见 top 与 tau 衰变中含光子的衰变模式在何种程度上可作为探测 uSMEFT 参数空间未被检验区域的探针？

主要发现

• 尽管系数数量级为一的算符通常在 TeV 能标下受到约束，但涉及右手上/下夸克中微子的若干六维算符系数仍处于未被约束或约束极弱的状态，即使在 LHC、LEP 和味物理数据的约束下。
• 右手上/下夸克中微子迅速衰变为光子与标准模型中微子的场景在 0.1–10 GeV 范围内是自然的，使其成为对撞机搜索的有力候选目标。
• 现有末态包含光子与缺失能量的搜索尚未完全覆盖参数空间，仍存在显著未被检验的区域。
• 识别出包含光子的罕见 top 与 tau 衰变是探测 uSMEFT 参数空间中剩余未被覆盖区域的有前途的新搜索通道。
• 本分析强调，针对此类罕见衰变的专门实验搜索对于弥补低尺度 seesaw 模型敏感度的缺口至关重要。