[论文解读] Disambiguating Seesaw Models using Invariant Mass Variables at Hadron Colliders

P. S. Bhupal Dev, Doojin Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于不变质量变量的运动学末端分析方法，用于在强子对撞机上通过同号二轻子加二胶球信号，区分两种TeV尺度的 seesaw 模型——即标准模型扩展为单态中微子的模型与左右对称模型。通过利用运动学末端之间不同的拓扑关系，该方法可实现模型鉴别，并直接测量新共振态的质量，其有效性通过包含探测器效应的蒙特卡洛模拟得到验证，并进一步推广至未来14 TeV和100 TeV对撞机。

ABSTRACT

We propose ways to distinguish between different mechanisms behind the collider signals of TeV-scale seesaw models for neutrino masses using kinematic endpoints of invariant mass variables. We particularly focus on two classes of such models widely discussed in literature: (i) Standard Model extended by the addition of singlet neutrinos and (ii) Left-Right Symmetric Models. Relevant scenarios involving the same "smoking-gun" collider signature of dilepton plus dijet with no missing transverse energy differ from one another by their event topology, resulting in distinctive relationships among the kinematic endpoints to be used for discerning them at hadron colliders. These kinematic endpoints are readily translated to the mass parameters of the on-shell particles through simple analytic expressions which can be used for measuring the masses of the new particles. A Monte Carlo simulation with detector effects is conducted to test the viability of the proposed strategy in a realistic environment. Finally, we discuss the future prospects of testing these scenarios at the $\sqrt s=14$ and 100 TeV hadron colliders.

研究动机与目标

• 通过相同的对撞机信号区分两种重要的TeV尺度seesaw模型——即标准模型中加入单态中微子的模型与左右对称模型。
• 识别尽管末态完全相同（ℓ⁺ℓ⁺jj 或 ℓ⁻ℓ⁻jj），但能将两种模型区分开来的独特运动学末端模式。
• 开发一种可推广的方法，通过从运动学末端导出的解析表达式，实现对新粒子质量的测量。
• 利用包含探测器效应的蒙特卡洛模拟，在真实探测器环境中验证该方法的可靠性。
• 预测该方法在未来高能强子对撞机（14 TeV 和 100 TeV）上的发现能力。

提出的方法

• 该方法依赖于分析包含同号二轻子与二胶球事例中不变质量变量（如 mℓℓ、mℓj、mℓℓj）的运动学末端。
• 假设所有末态粒子均源自单一稳定母粒子，且无不可见粒子贡献于缺失横向动量。
• 基于所涉及共振态的质量比，推导出运动学末端的解析表达式，从而实现对质量的直接提取。
• 该方法应用于两个基准模型：标准模型中加入单态中微子的模型与左右对称模型，二者产生截然不同的末端模式。
• 通过包含探测器效应的蒙特卡洛模拟，测试该方法在真实条件下的鲁棒性。
• 该策略进一步扩展至未来对撞能量（14 TeV 与 100 TeV），评估对重规范玻色子（WR）的探测灵敏度，分别可达5.5 TeV与32 TeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 当两种模型均产生相同的 ℓ⁺ℓ⁺jj 或 ℓ⁻ℓ⁻jj 对撞信号时，不变质量变量能否唯一区分标准模型扩展为单态中微子的模型与左右对称模型？
• RQ2 每种seesaw模型特有的运动学末端关系是什么？它们在事例拓扑结构上如何不同？
• RQ3 在真实探测器条件下，利用运动学末端测量新重共振态（如 WR、重中微子）质量的能力在多大程度上可行？
• RQ4 在 √s = 14 TeV 和 100 TeV 的未来强子对撞机上，该方法对这些模型的预期发现能力如何？
• RQ5 在真实模拟环境中，该方法对探测器效应和背景污染的鲁棒性如何？

主要发现

• 该方法成功基于运动学末端之间的独特关系，即使末态信号完全相同，也能有效区分两种seesaw模型。
• mℓℓ、mℓj 与 mℓℓj 的运动学末端在不同模型中表现出独特的模式，可通过末端比值实现模型鉴别。
• 末端的解析表达式使得能够直接测量如 WR 和重中微子等稳定共振态的质量。
• 蒙特卡洛模拟证实，该方法在包含探测器效应的真实条件下依然有效，能够保持对末端结构的分辨能力。
• 在 √s = 14 TeV、300 fb⁻¹ 条件下，该方法可探测到约5.5 TeV 的 WR 玻色子质量；在 √s = 100 TeV、1 ab⁻¹ 条件下，探测能力延伸至约32 TeV。
• 该方法为探究中微子质量起源提供了强大工具，并可约束中微子无双贝塔衰变与轻子味破坏等关联可观测量。