[论文解读] Hadron Collider Tests of Neutrino Mass-Generating Mechanisms

Richard Ruíz|D-Scholarship@Pitt (University of Pittsburgh)|Sep 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 85被引用 7

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上通过轻子数破坏信号，特别是同号轻子对末态，探测重Majorana中微子和 $W^\prime$ 规范玻色子的潜力。结果表明，$W^\prime \to N\ell^\pm$ 衰变中的自旋关联可明确识别 $W^\prime$ 的手征耦合性质以及中微子 $N$ 的Majorana特性；在90 fb$^{-1}$ 亮度下，当 $M_{W^\prime} = 3$ TeV 时，可实现5$\sigma$ 的信号显著性。

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics (SM) is presently the best description of nature at small distances and high energies. However, with tiny but nonzero neutrino masses, a Higgs boson mass unstable under radiative corrections, and little guidance on understanding the hierarchy of fermion masses, the SM remains an unsatisfactory description of nature. Well-motivated scenarios that resolve these issues exist but also predict extended gauge (e.g., Left-Right Symmetric Models), scalar (e.g., Supersymmetry), and/or fermion sectors (e.g., Seesaw Models). Hence, discovering such new states would have far-reaching implications. After reviewing basic tenets of the SM and collider physics, several beyond the SM (BSM) scenarios that alleviate these shortcomings are investigated. Emphasis is placed on the production of a heavy Majorana neutrinos at hadron colliders in the context of low-energy, effective theories that simultaneously explain the origin of neutrino masses and their smallness compared to other elementary fermions, the so-called Seesaw Mechanisms. As probes of new physics, rare top quark decays to Higgs bosons in the context of the SM, the Types I and II Two Higgs Doublet Model (2HDM), and the semi-model independent framework of Effective Field Theory (EFT) have also been investigated. Observation prospects and discovery potentials of these models at current and future collider experiments are quantified.

研究动机与目标

• 评估在大型强子对撞机（LHC）上通过轻子数破坏信号探测重Majorana中微子（$N$）和 $W^\prime$ 规范玻色子的发现潜力。
• 确定 $W^\prime \to N\ell^\pm$ 衰变中的自旋关联是否可区分 $W^\prime$ 对轻子和夸克的手征耦合。
• 利用同号与异号轻子对末态的运动学分布，区分 $N$ 的Majorana特性与狄拉克费米子特性。
• 在14 TeV和100 TeV LHC能量下，优化 $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 末态的信号选择与背景抑制。
• 为通过中微子质量生成的对撞机现象学，提供一种模型无关的新物理探测框架。

提出的方法

• 在模型无关的有效场论（EFT）框架下，对 $W^\prime$ 和 $N$ 的耦合进行建模，并施加当前实验限制的约束。
• 计算在强子对撞机中通过Drell-Yan过程和光子初态过程产生 $W^\prime$ 和 $N$ 的部分子层次截面。
• 应用运动学切割和探测器展宽，以重建 $N$ 的衰变产物并分离 $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 末态。
• 利用角分布——特别是 $N$ 静止参考系中的极角以及产生与衰变平面之间的方位角——来探测 $W^\prime$ 的手征耦合。
• 通过蒙特卡罗模拟，将理论预测与在真实探测器条件下的重建分布进行比较。
• 通过5$\sigma$ 信号显著性阈值评估统计显著性与发现能力，针对 $M_{W^\prime} = 3$ TeV 和 $4$ TeV 在90 fb$^{-1}$ 和1 ab$^{-1}$ 亮度下的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过 $N$ 静止参考系中末态轻子的角分布确定 $W^\prime$ 对轻子的手征耦合？
• RQ2 能否通过 $N$ 产生平面与衰变平面之间的方位角关联探测 $W^\prime$ 对初态夸克的手征耦合？
• RQ3 由于自旋关联的影响，同号与异号轻子对末态的运动学分布有何差异？它们能否区分Majorana中微子 $N$ 与狄拉克费米子？
• RQ4 在14 TeV LHC上，为实现 $W^\prime_{R}$ 在 $M_{W^\prime} = 3$ TeV 时通过 $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 末态达到5$\sigma$ 发现，所需亮度是多少？
• RQ5 在强子对撞机中，包含 $\gamma$-初态过程如何影响 $N$ 的总产生截面？

主要发现

• 在14 TeV LHC上，使用90 fb$^{-1}$ 的积分亮度，可实现 $M_{W^\prime} = 3$ TeV 的 $W^\prime_{R}$ 的5$\sigma$ 信号；在1 ab$^{-1}$ 亮度下，可实现 $M_{W^\prime} = 4$ TeV 的5$\sigma$ 信号。
• 在 $N$ 静止参考系中，末态轻子的极角分布因自旋关联在 $L$-守恒与 $L$-破坏情形之间出现符号反转，从而可识别 $W^\prime$ 的手征耦合。
• $N$ 产生平面与衰变平面之间的方位角分布对 $W^\prime$ 对初态夸克的手征耦合敏感，为 $W^\prime$ 耦合提供了直接探测手段。
• $\ell^\pm\ell^\pm jj$ 末态的总截面在电荷共轭下保持不变，证实同号与异号末态之间的差异完全源于角关联。
• 同号与异号轻子对末态的运动学分布具有互补性，且由于Majorana中微子衰变中的手征翻转效应，其斜率相反。
• 当 $N$ 具有较大的右手中微子分量时，$W^\prime_{R}$ 对 $N$ 的耦合占主导，导致信号率显著高于 $W^\prime_{L}$ 情况。