[论文解读] Perspectives to find heavy neutrinos with NA62

Marco Drewes, Jan Hajer+2 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2018

Neutrino Physics Research被引用 8

一句话总结

该论文评估了NA62在束流打靶模式下对重中性轻子（HNLs）的灵敏度，利用中微子振荡数据约束最小类型I seesaw模型中的味混合模式。结果表明，NA62目前是世界上对质量介于奇异夸克与D介子之间的HNLs最灵敏的实验，其灵敏度因与tau味的耦合不同而相差近两个数量级。

ABSTRACT

The sensitivity of beam dump experiments to heavy neutrinos depends on the relative size of their mixings with the lepton flavours in the Standard Model. We study the impact of present neutrino oscillation data on these mixing angles in the minimal type I seesaw model. We find that current data significantly constrains the allowed heavy neutrino flavour mixing patterns. Based on this, we discuss the implications for the sensitivity of the NA62 experiment to heavy neutrinos when operated in the beam dump mode. We find that NA62 is currently the most sensitive experiment in the world for heavy neutrino masses between that of the kaon and the $D$-mesons. The sensitivity can vary by almost two orders of magnitude if the heavy neutrinos exclusively couple to the tau flavour, but depends only comparably weakly on the flavour mixing pattern within the parameter range preferred by light neutrino oscillation data.

研究动机与目标

• 评估NA62实验在束流打靶模式下对重中性轻子（HNLs）的灵敏度。
• 确定当前中微子振荡数据在最小类型I seesaw模型中对HNL味混合模式的约束程度。
• 评估NA62对HNL与不同标准模型轻子味（e, μ, τ）耦合的灵敏度依赖性。
• 将NA62的预期灵敏度与过去和未来实验在奇异夸克与D介子质量范围内的灵敏度进行比较。
• 量化味混合模式对HNL探测前景的影响，特别是结合轻子中微子振荡数据约束的结果。

提出的方法

• 使用蒙特卡罗模拟来建模NA62束流打靶配置中HNL的产生与衰变运动学。
• 利用Pythia 6.4模拟400 GeV质子束在高Z靶上的强子簇射，以确定c-和b-强子对HNL产生的贡献。
• 基于实际NA62探测器几何结构，计算HNL衰变产物的几何接受度，重点关注包含两个带电轨迹的末态。
• 使用公式 $ N_{\text{obs}} = \sum_{I} n_{N,I} \sum_{f,f'} \text{BR}(N_i \to f^+f'^-X) \mathcal{A}_i(f^+f'^-X, M_i, U^2_{e,\mu,\tau}) \varepsilon(f^+f'^-X, M_i) $ 计算事例率，其中 $ \mathcal{A}_i $ 为接受度，$ \varepsilon $ 为探测效率。
• 针对六种不同味混合模式（A–F）评估灵敏度，假设 $ 10^{18} $ POT且背景可忽略。
• 利用seesaw机制将HNL耦合 $ U_{ai}^2 $ 与混合矩阵 $ \theta $ 关联，并受轻子中微子振荡数据约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 重中性轻子的味混合模式如何影响NA62在束流打靶模式下的灵敏度？
• RQ2 当前中微子振荡数据在多大程度上能够约束最小seesaw模型中HNL允许的混合模式？
• RQ3 NA62对质量介于奇异夸克与D介子之间的HNLs的预期灵敏度如何？与过去和未来实验相比如何？
• RQ4 与电子和μ子通道相比，HNL对tau轻子的耦合强度如何影响其灵敏度？
• RQ5 在当前振荡数据约束下，$ U_{ei}^2 $、$ U_{\mu i}^2 $ 和 $ U_{\tau i}^2 $ 的相对大小是否显著影响NA62的灵敏度？

主要发现

• NA62目前是世界上对质量介于奇异夸克与D介子之间的重中性轻子最灵敏的实验。
• 对与tau轻子耦合的HNLs，NA62的灵敏度比过去实验高出近两个数量级。
• 对于与电子或μ子耦合的HNLs，预期灵敏度提升约为半个数量级。
• 灵敏度强烈依赖于比值 $ U_{\tau i}^2 / (U_{ei}^2 + U_{\mu i}^2) $，但对 $ U_{ei}^2 / U_{\mu i}^2 $ 的依赖较弱，尤其是在双μ末态阈值以上。
• 轻子中微子振荡数据的约束显著缩小了大 $ U_{\tau i}^2 $ 的允许参数空间，使得在优选区域内灵敏度几乎与味混合模式无关。
• 在专用实验如SHiP、MATHUSLA、FASER或CODEX-b投入运行之前，NA62预计将继续是该质量范围内最强大的HNL搜寻工具。