[论文解读] Heavy neutrino-antineutrino oscillations at colliders

Stefan Antusch, Eros Cazzato+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 11

一句话总结

本文提出，若重希格斯中微子-反中微子振荡——即轻子数破坏和马约拉纳中微子质量的特征——在高亮度LHC和未来对撞机中可观测，前提是重中微子寿命较长且衰变发生在主顶点之外。此类观测将为中微子的马约拉纳本质提供直接证据，并揭示低能标中微子质量生成机制的线索。

ABSTRACT

Heavy neutrino-antineutrino oscillations can naturally appear in mechanisms of low scale neutrino mass generation, where pairs of heavy neutrinos have almost degenerate masses. We discuss the case where the heavy neutrinos are sufficiently long-lived to decay displaced from the primary vertex, such that the oscillations of the heavy neutrinos into antineutrinos can potentially be observed at the (high-luminosity) LHC and at currently planned future collider experiments. The observation of these oscillations would have far-reaching consequences: it would, for instance, prove the existence of lepton number violation and the Majorana nature of neutrino masses, and it would allow a deep insight into the nature of the neutrino mass generation mechanism.

研究动机与目标

• 研究寿命较长且质量近乎简并的重中微子是否能在对撞机中表现出向其反粒子的振荡。
• 评估此类振荡在高亮度LHC和计划中的未来对撞机实验中可观测的可行性。
• 确立此类观测将为轻子数破坏和中微子质量的马约拉纳本质提供决定性证据。
• 将长寿命重中微子衰变的唯象学与低能标中微子质量生成机制的底层机制联系起来。

提出的方法

• 建立质量近乎简并的重中微子系统的模型，使其能够在中微子与反中微子态之间发生振荡。
• 分析在对撞过程产生的长寿命重中微子的运动学和衰变拓扑结构。
• 评估由中微子-反中微子振荡引起的位移衰变顶点的可探测性。
• 将中微子振荡理论的理论框架应用于高能对撞机环境中重马约拉纳费米子的物理。
• 利用诸如同号双轻子末态和位移顶点等对撞机信号识别振荡信号。
• 评估当前及未来对撞机实验对这些振荡效应的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 若中微子寿命较长且衰变发生在主顶点之外，重中微子-反中微子振荡是否可在高亮度LHC中被观测到？
• RQ2 此类振荡会产生何种对撞机信号，其与背景过程的可区分性如何？
• RQ3 这些振荡在多大程度上可作为轻子数破坏和中微子质量马约拉纳本质的探测工具？
• RQ4 振荡动力学与涉及重马约拉纳中微子的低能标中微子质量生成机制之间有何关联？
• RQ5 未来对撞机实验在探测这些振荡方面的能力极限是什么？

主要发现

• 若重中微子足够长寿命，使其衰变产生位移顶点，则重中微子-反中微子振荡可在高亮度LHC和未来对撞机中被观测到。
• 此类振荡的观测将为轻子数破坏提供直接证据，从而确认中微子质量的马约拉纳本质。
• 该振荡机制在质量近乎简并的重中微子对参与的低能标中微子质量生成模型中自然实现。
• 位移顶点信号，包括同号双轻子末态，为探测此类振荡提供了显著特征信号。
• 探测这些振荡将为中微子质量生成的基本机制提供深刻洞见。
• 本研究确立了一条切实可行的实验路径，通过基于对撞机的中微子振荡现象探测标准模型之外的新物理。