[论文解读] Majorana Neutrino and $W_{R}$ at TeV scale $ep$ Colliders

Ü. Kaya, M. Ö. Sahin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文研究了未来TeV量级ep对撞机在左-右对称标准模型扩展框架下对重Majorana中微子（$N_e$）和右手中性子$W_R$玻色子的发现潜力。通过利用源自$N_e$ Majorana性质的无背景过程$e^{-}p \to e^{+}X$，本文表明基于linac-LHC和linac-FCC的ep对撞机能够探测到远高于相应$e^+e^-$对撞机（如ILC和CLIC）的$N_e$和$W_R$质量。

ABSTRACT

Production of heavy Majorana neutrino $N_{e}$ predicted by left-right symmetric extension of the Standard Model at future { ormalsize TeV} scale $ep$ colliders have been considered. In order to estimate potential of $ep$ colliders for $N_{e}$ search we consider back-groundless process $e^{-}p ightarrow e^{+}X$ which is consequence of Majorana nature of $N_{e}$. It is shown that { ormalsize linac-LHC} and { ormalsize linac-FCC} based $ep$ colliders will cover much wider regions of $N_{e}$ and $W_{R}$ masses than corresponding linear electron-positron colliders.

研究动机与目标

• 评估未来ep对撞机对左-右对称模型所预言的重Majorana中微子（$N_e$）和右手中性子$W_R$玻色子的发现潜力。
• 评估ep对撞机通过无背景过程$e^{-}p \to e^{+}X$对$N_e$的敏感度，该过程是$N_e$ Majorana性质的直接结果。
• 比较ep对撞机与pp和$e^+e^-$对撞机在探测$N_e$和$W_R$质量方面的物理探测范围。
• 确定最优对撞机构型——特别是基于linac-LHC和linac-FCC的ep对撞机——以最大化TeV量级下对$N_e$和$W_R$的探测灵敏度。

提出的方法

• 本研究采用$SU_L(2) \times SU_R(2) \times U(1)_{B-L}$模型作为标准模型左-右对称扩展的理论框架。
• 利用无背景过程$e^{-}p \to e^{+}X$，在不同质心系能量（$\sqrt{s} = 1.3, 2.0, 4.0, 14.1$ TeV）下计算$N_e$的产生截面，作为$m_{N_e}$和$m_{W_R}$的函数。
• 通过涉及$W_R$交换的费曼图计算截面，并应用$1/2$因子以考虑$N_e$的Majorana性质。
• 使用统计标准确定发现和观测极限：发现采用$5\sigma$标准，对应25个预期事例；观测采用$3\sigma$标准，对应9个预期事例。
• 利用所提议对撞机构型（如ERL60-LHC、OPERL150-LHC、OPERL500-LHC、ERL60-FCC、FCC-e80等）的亮度和积分亮度值，估算在$m_{N_e}$–$m_{W_R}$平面上的探测灵敏度。
• 对pp、ep和$e^+e^-$对撞机选项进行对比分析，重点考察$N_e$探测中在运动学和亮度方面的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来TeV量级ep对撞机能否探测到比ILC和CLIC等$e^+e^-$对撞机更重的$N_e$和$W_R$质量？
• RQ2 无背景过程$e^{-}p \to e^{+}X$如何通过Majorana中微子的特性提升对探测的灵敏度，相较于标准信号？
• RQ3 基于linac-LHC和linac-FCC的ep对撞机与pp对撞机相比，在$N_e$和$W_R$探测方面的发现范围有何差异？
• RQ4 哪些对撞机构型（如OPERL150-LHC、OPERL500-LHC、FCC-e80）在$m_{N_e}$–$m_{W_R}$平面上对$N_e$和$W_R$具有最优的探测灵敏度？
• RQ5 在何种质量范围内，ep对撞机在$N_e$探测中优于pp对撞机，特别是当$m_{N_e}$超过$e^+e^-$机器的运动学极限时？

主要发现

• 基于linac-LHC和linac-FCC的ep对撞机能够探测到远高于ILC和CLIC等$e^+e^-$对撞机的$N_e$和$W_R$质量，后者在运动学上分别受限于$m_{N_e} < 0.5$ TeV和$m_{N_e} < 1.5$ TeV。
• 对于$N_e$质量为0.5 TeV、$W_R$质量为8 TeV的情况，ERL500-LHC方案可实现$5\sigma$发现极限，而LHC单独运行无法达到$2\sigma$。
• 对于$N_e$质量为2 TeV、$W_R$质量为27 TeV的情况，OPERL1000-FCC方案可实现$3\sigma$观测水平，而FCC单独运行无法达到$2\sigma$。
• $e^{-}p \to e^{+}X$过程由于$N_e$的Majorana性质，提供了清晰的无背景信号，使在$m_{N_e}$–$m_{W_R}$平面上实现高灵敏度搜索成为可能。
• OPERL150-LHC和OPERL500-LHC方案展现出更优的探测灵敏度，在$m_{N_e}$–$m_{W_R}}$平面上覆盖更广区域，优于OPL60和OPL140方案。
• 基于FCC的ep对撞机，特别是OPERL1000-FCC构型，在高质质量区表现出增强的$N_e$和$W_R$发现潜力，其$3\sigma$和$5\sigma$发现极限分别延伸至$m_{N_e} \approx 2$ TeV和$m_{W_R} \approx 27$ TeV。