[论文解读] Characterizing Heavy Neutral Fermions via their Decays

André de Gouvêa, Patrick J. Fox+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 90被引用 7

一句话总结

本文提出利用重中性费米子（HNFs）的三体衰变来区分狄拉克与马约拉纳费米子态，借助运动学不对称性与极化效应。结果表明，在完整事例重建条件下，约70个信号事例即可在3σ置信水平下区分两种费米子类型，为未来实验提供一种强大的发现后诊断工具。

ABSTRACT

Many extensions of the Standard Model of particle physics contain new electrically-neutral fermions. Should one of these particles be discovered, questions will naturally arise regarding its nature. For instance: is it a self-conjugate particle (i.e., is it a Dirac or a Majorana fermion)?, does it interact via the Standard Model force carriers or something else? One set of well-motivated particles in this class are Heavy Neutral Leptons (HNLs), Standard Model gauge-singlet fermions that mix with the neutrinos and may be produced in meson decays. We demonstrate that measuring the three body decays of the HNL (or phenomenologically similar heavy fermions) can help determine whether they are Majorana or Dirac fermions. We also investigate the ability to distinguish among different models for the physics responsible for the HNL decay. We compare the reach assuming full and partial event reconstruction, and propose experimental analyses. Should a new fermion be discovered, studying its three body decays provides a powerful diagnostic tool of its nature.

研究动机与目标

• 开发一种发现后的实验策略，以确定新发现的重中性费米子是狄拉克还是马约拉纳费米子。
• 研究当轻子数不守恒无法直接观测时，三体衰变运动学如何揭示费米子的本质。
• 比较完整与部分事例重建在区分费米子类型与耦合结构方面的灵敏度。
• 为使用时间投影室与极化源探测HNF性质的实验分析提供路线图。
• 建立基于非捆绑似然比检验的统计框架，以评估在真实事例数条件下的模型区分能力。

提出的方法

• 使用相对论性运动学与衰变振幅形式化方法，对狄拉克与马约拉纳费米子的二体与三体衰变进行建模。
• 将重中性费米子静止参考系中的前后向不对称性作为关键可观测量，以区分狄拉克与马约拉纳态。
• 对伪实验数据执行非捆绑似然比分析，以比较竞争性假设（例如狄拉克 vs. 马约拉纳，标量 vs. 矢量耦合）。
• 通过蒙特卡罗模拟在已知真实假设（如HNF质量、耦合常数、事例数）下生成模拟数据。
• 利用奈曼-皮尔逊引理定义统计标准（例如，∆χ² = 25.26 对应 99.7% 置信水平），以确定何时可排除某一假设。
• 在每次拟合中将耦合参数相对于最大值进行归一化，以隔离归一化不确定性对区分能力的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当轻子数不守恒无法直接观测时，重中性费米子的三体衰变能否区分狄拉克与马约拉纳费米子假设？
• RQ2 事例重建的完整性（完整 vs. 部分）如何影响区分狄拉克与马约拉纳费米子态的能力？
• RQ3 若费米子本质已知，能否识别其耦合结构（标量/伪标量 vs. 矢量/轴矢量）？
• RQ4 在3σ置信水平下，区分狄拉克与马约拉纳假设所需的最少信号事例数是多少？
• RQ5 极化效应如何影响衰变运动学中的区分能力？

主要发现

• 对于质量为10 MeV的重中性费米子，若为标量/伪标量耦合，约70个预期信号事例即可通过非捆绑似然比检验，在3σ置信水平下区分狄拉克与马约拉纳假设。
• 三体衰变中的前后向不对称性是关键可观测量，狄拉克与马约拉纳费米子之间存在定性差异，尤其在源极化时更为显著。
• 即使极化信息丢失，标量耦合费米子仍可与矢量/张量耦合者良好区分，但反之则不然。
• 似然比检验框架展现出稳健的区分能力，标量/伪标量情形下，当n₀ ≈ 70个事例时，−log λ的中位数达到12.63（对应3σ）。
• 当费米子本质已知时，通过完整事例重建可高置信度识别耦合结构，尤其在极化源条件下更为显著。
• 即使中微子未被探测，只要测量到带电轻子与强子的动量，即可实现电荷识别与运动学重建，该方法依然有效。