[论文解读] Heavy Neutral Leptons and displaced vertices at LHC

Xabier Marcano|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文重新审视了大型强子对撞机（LHC）通过衰变顶点（DV）搜索对重中性轻子（HNLs）的发现潜力，强调了考虑所有产生通道（尤其是通过 $W$、$Z$ 和希格斯玻色子介导的过程）的重要性，因为这些过程具有味依赖的耦合。研究表明，通过轻子中微子的味无关产生机制对于探测完整的参数空间至关重要，可实现对混合参数 $|V_{\ell N}| \sim 10^{-7}$ 的敏感度，适用于质量约为几 GeV 的 HNL。

ABSTRACT

Heavy neutral leptons are present in many well-motivated beyond the Standard Model theories, sometimes being accessible at present colliders. Depending on their masses and couplings they could be long-lived and lead to events with displaced vertices, and thus to promising signatures due to low Standard Model background. We revisit the potential of the LHC to discover this kind of new particles via searches for displaced vertices, which can probe masses of few GeV for mixings currently allowed by experimental constraints. We also discuss the importance of considering all the possible production channels, including the production in association with light neutrinos, in order to fully explore this region of the parameter space.

研究动机与目标

• 评估大型强子对撞机（LHC）对质量为几 GeV 且混合参数符合当前实验约束的重中性轻子（HNLs）的敏感度。
• 评估位移顶点（DV）信号的发现潜力，因其具有较低的标准模型背景和较高的发现灵敏度。
• 研究味结构对 HNL 产生与衰变的影响，特别是比较 $W$-介导与 $Z$/$H$-介导通道的差异。
• 证明通过关联轻子中微子产生的味无关产生机制对于探测 HNL 参数空间的完整性至关重要。
• 量化在不同混合情形（单味、双味或均匀味混合）下 DV 搜索的敏感度。

提出的方法

• 采用包含三个活性中微子和一个惰性 HNL 的 3+1 模型，将 HNL 质量 $m_N$ 和混合参数 $V_{\ell N}$ 视为自由参数。
• 计算总宽度 $\Gamma_N \propto G_F^2 m_N^5 \sum_{\ell} |V_{\ell N}|^2$，从而确定 HNL 的衰变长度，进而评估其产生位移顶点信号的潜力。
• 评估 $pp \to \ell N$（带电轻子关联）和 $pp \to \nu N$（中微子关联）的产生截面，施加动量 $p_T > 25$ GeV 和 $|\eta| < 2.5$ 的运动学截断。
• 比较三种基准情景下的发现范围：单味混合（仅 $V_{eN}$）、双味混合（$|V_{eN}| = |V_{\mu N}|$）和均匀三味混合。
• 利用蒙特卡洛模拟估算在 13 TeV LHC 下 $\mathcal{L} = 300~\text{fb}^{-1}$ 的 DV 事件数量，绘制 100 和 10,000 个事件的等高线。
• 分析 $W$-介导与 $Z$/$H$-介导产生机制的互补性，表明后者为味无关机制，对完整参数空间覆盖更具鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在质量为几 GeV 且混合参数符合当前约束的前提下，大型强子对撞机（LHC）的位移顶点搜索对 HNL 的敏感度如何？
• RQ2 HNL 混合的味结构（$V_{\ell N}$）如何影响 $W$-介导与 $Z$/$H$-介导产生通道中的发现潜力？
• RQ3 为何通过关联轻子中微子产生的味无关产生机制对于探测 HNL 参数空间的完整性至关重要？
• RQ4 不同的混合模式（单味、双味或均匀味混合）如何影响可观测的位移顶点事件数量？
• RQ5 是否可以结合 $pp \to \ell N$ 和 $pp \to \nu N$ 通道以实现对 HNL 参数空间的完整覆盖？

主要发现

• 在 $\mathcal{L} = 300~\text{fb}^{-1}$ 且采用位移顶点信号的假设下，LHC 可探测到质量约为几 GeV 的 HNL 混合参数小至 $|V_{\ell N}| \sim 10^{-7}$。
• $pp \to \ell N$ 通道对味结构高度敏感：当混合分布在多个味上时，灵敏度显著下降，因为总宽度增加，而产生率仅依赖于特定的 $|V_{\ell N}|$。
• $pp \to \nu N$ 通道为味无关机制，因为产生率和总宽度均依赖于同一组合 $\sum |V_{\ell N}|^2$，因此在所有混合情景下事件率相同。
• 通过 $pp \to \nu N$ 产生的位移顶点搜索尤其强大，因其对 HNL 的味不敏感，可实现对参数空间的完整覆盖。
• $W$-介导通道在单味混合情况下最敏感，但当混合分布在多个味上时，其有效性显著降低。
• 通过 $pp \to \nu N$ 实现的味无关产生机制对互补覆盖至关重要，可避免 $W$-介导通道中因味稀释导致的灵敏度损失。