[论文解读] LSP sneutrino decays into heavy standard model pairs

D. Aristizábal Sierra, Diego Restrepo+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文研究了双线性R-parity破坏（BRpV）中右手上中微子衰变为重希格斯玻色子（W⁺W⁻, ZZ, hh, tt̄）、不可见νν末态以及不同味荷电轻子（lᵢ⁺lⱼ⁻）的衰变模式，表明当BRpV参数εᵢ远小于右手上中微子真空期望值vᵢ时，这些非传统末态的分支比可超过传统的b̄b末态。关键结果是此类衰变会产生独特的LHC信号——多轻子或重共振态事件，为超对称理论提供新探测手段，并可能排除BRpV作为中微子质量唯一来源的可能性，若多个右手上中微子世代均以这种方式衰变。

ABSTRACT

In bilinear R-parity violation (BRpV), in which the superpotential includes a bilinear term between the lepton doublet and the up-type Higgs superfields, a sneutrino LSP can decay into pairs of heavy standard model states: W's, Z's, tops or Higgs bosons. These finals states can dominate over the traditionally considered bottom pair final state. This would lead to unique and novel supersymmetric signals with each supersymmetric event possibly producing two pairs of these heavy standard model fields. We investigate this possibility and find that the branching ratio into heavier states dominates when the bilinear term is much smaller than the sneutrino vacuum expectation value for a given sneutrino flavor. When BRpV is the only source of neutrino masses these decays can only dominate for one of the sneutrino generations. Relaxing this constraint opens these channels for all three generations.

研究动机与目标

• 研究双线性R-parity破坏（BRpV）模型中右手上中微子LSP的非传统衰变模式，超越标准的b̄b末态。
• 确定在何种条件下，这些新奇末态（如W⁺W⁻, ZZ, tt̄, νν, lᵢ⁺lⱷ⁻）的分支比超过b̄b衰变。
• 评估对LHC搜索的物理意义，特别是多轻子或重共振态等独特信号的潜力。
• 探讨若观测到多个右手上中微子世代通过BRpV衰变为这些末态，是否可排除BRpV作为中微子质量唯一来源的可能性。
• 计算右手上中微子的衰变长度，并评估当BRpV对中微子质量的贡献处于次要地位时，位移顶点信号的可行性。

提出的方法

• 采用有效场论方法建模双线性R-parity破坏（BRpV），其中超势包含轻子双态与上型希格斯超多重态之间的双线性混合项。
• 利用微扰场论与螺旋幅技术，计算右手上中微子衰变为各种末态（W⁺W⁻, ZZ, hh, tt̄, νν, lᵢ⁺lⱼ⁻）的分支比。
• 结合中微子质量数据，特别是 seesaw 机制，将BRpV参数εᵢ与观测到的中微子质量尺度关联起来。
• 基于BRpV对大气与太阳中微子质量劈裂的贡献，计算右手上中微子的衰变长度，使用公式 L ∝ 1 / (Γ × γ)，其中γ来自洛伦兹提升因子。
• 通过比较BRpV诱导的中微子质量与实验值，评估衰变的物理可行性，使用比值 rν = Δm₃₂,₂₁^{BRpV} / Δm₃₂,₂₁^{Exp}。
• 考虑右手上中微子在LHC上的产生机制，强子产生占主导地位，除非标量夸克与胶微子质量过重，此时电弱产生仍可能可行。

实验结果

研究问题

• RQ1 在BRpV模型中，右手上中微子LSP衰变为重标准模型末态（W⁺W⁻, ZZ, hh, tt̄）时，其分支比何时会超过传统的b̄b末态？
• RQ2 比值 εᵢ / vᵢ 如何影响不同味荷电轻子末态（lᵢ⁺lⱼ⁻）与重标准模型末态的分支比？
• RQ3 若观测到多个右手上中微子世代均通过BRpV衰变为非传统末态，是否可排除BRpV作为中微子质量唯一来源的可能性？
• RQ4 当BRpV对中微子质量的贡献处于次要地位时，对LHC物理有何影响，特别是对位移顶点与可探测信号的影响？
• RQ5 右手上中微子的衰变长度如何依赖于BRpV诱导的中微子质量贡献大小？其对位移顶点探测的可达范围如何？

主要发现

• 当某一味的BRpV参数εᵢ远小于右手上中微子真空期望值vᵢ时，非传统末态（W⁺W⁻, ZZ, hh, tt̄, νν, lᵢ⁺lⱼ⁻）的分支比会超过b̄b末态。
• 在BRpV是中微子质量唯一来源的模型中，由于太阳中微子数据的限制，此分支比主导现象仅可能出现在一个右手上中微子味中。
• 当BRpV对中微子质量的贡献处于次要地位时，非传统衰变的主导性可扩展至全部三个右手上中微子世代。
• 当BRpV对中微子质量的贡献低于观测值的∼10⁻⁵时，右手上中微子的衰变长度可超过1米，从而产生可能被探测到的位移顶点。
• 当BRpV贡献高于观测中微子质量尺度的∼10⁻³%时，衰变长度通常低于10厘米，除非BRpV项极小，否则长寿命信号难以实现。
• 右手上中微子衰变产生的多轻子或重共振态末态提供了独特且新颖的LHC信号，其QCD背景远低于b̄b模式，从而显著提升可探测性。