[论文解读] Probing baryon asymmetry of the Universe at LHC and SHiP

I. Boiarska, Kyrylo Bondarenko+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 65被引用 8

一句话总结

本文表明，结合大型强子对撞机（LHC，包括ATLAS、CMS和LHCb）的位移顶点搜索与SHiP强度前沿实验，可探测到同时通过 seesaw 机制解释中微子质量并生成宇宙重子不对称性（BAU）的重中性轻子（HNL）的参数空间。结果表明，LHC与SHiP实验联合可覆盖最小HNL重子生成机制中的显著参数区域，尤其针对HNL质量高达约5 GeV、混合角低至约10⁻⁸的情况。

ABSTRACT

The origin of the baryon asymmetry of the Universe (BAU) is one of the major puzzles beyond the Standard Model. Detecting the particles responsible for the generation of the BAU would enormously boost our understanding of physics of the early Universe. Here we demonstrate that searches for displaced vertices at ATLAS, CMS and LHCb allow detecting heavy neutral leptons (HNL) with parameters that can simultaneously lead to the successful generation of the BAU and explain the masses and oscillations of active neutrinos. The combination of a dedicated LHC search program and a complementary Intensity Frontier experiment (such as SHiP) will allow exploring a sizeable part of the "minimal HNL baryogenesis" parameter space.

研究动机与目标

• 识别可通过 seesaw 机制同时解释中微子质量并生成宇宙重子不对称性（BAU）的重中性轻子（HNL）的参数空间。
• 评估ATLAS、CMS与LHCb在轻子生成背景下对HNL进行位移顶点（DV）搜索的灵敏度。
• 评估SHiP实验在探测与BAU生成相关的HNL方面所具有的互补潜力。
• 将先前的重子生成研究扩展至更高的HNL质量范围（超过10 GeV），提升可行重子生成情景的探测范围。
• 量化LHC位移顶点搜索与SHiP等强度前沿实验在覆盖宇宙学相关HNL参数方面的协同效应。

提出的方法

• 使用MadGraph 5在Leading Order下模拟LHC中通过W玻色子衰变产生的HNL，估算截面与动量谱。
• 通过积分W玻色子衰变动力学与赝快度接受度（|η| < 2.5）计算ATLAS与CMS的几何接受度（ε_geom）与平均HNL能量⟨E⟩。
• 利用测量的截面（σ_bbar ≈ 1.3×10⁸ pb）与理论模型中的分支比，估算LHCb中B介子衰变产生的HNL。
• 应用具有不同衰变长度范围的位移顶点搜索策略：ATLAS/CMS的短DV（0.4–30 cm）、CMS的长DV（2–300 cm）与LHCb的B介子衰变DV（2–60 cm）。
• 采用实验亮度估计值：ATLAS/CMS为160 fb⁻¹（当前）与3000 fb⁻¹（高亮度运行4期）；LHCb为6.7 fb⁻¹（当前）与300 fb⁻¹（高亮度期）。
• 结合LHC与SHiP的灵敏度估计，绘制出成功实现重子生成的HNL参数空间覆盖范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC的位移顶点搜索能否探测通过轻子生成机制产生宇宙重子不对称性的HNL？
• RQ2 ATLAS、CMS与LHCb的DV搜索对质量约为5 GeV、混合角低至约10⁻⁸的HNL具有多大灵敏度？
• RQ3 SHiP实验如何与LHC DV搜索互补，以探测与重子生成相关的HNL参数空间？
• RQ4 LHC与SHiP实验的结合在多大程度上可覆盖此前研究中m_N ≤ 10 GeV范围之外的最小HNL重子生成情景？
• RQ5 当前与计划中的实验尚无法探测的HNL参数区域有哪些？这些区域是否可通过未来的DV策略探测？

主要发现

• LHCb对B介子衰变产生的HNL的位移顶点搜索可探测此前未被探索的HNL参数空间区域，尤其针对m_N ≤ m_B的情况。
• CMS的长位移顶点策略（2–300 cm衰变长度）具有覆盖m_B以上质量HNL的潜力，与LHCb及ATLAS/CMS形成互补。
• 对于HNL质量m_N ≲ m_B的情况，强度前沿实验如SHiP可探测至约10⁻⁸的混合角，接近成功重子生成所要求的下限。
• LHC DV搜索（ATLAS、CMS、LHCb）与SHiP的结合可覆盖HNL参数空间的显著部分，这些HNL可同时解释中微子质量并生成宇宙重子不对称性。
• 在m_N ≲ m_B且混合角约为10⁻⁸的HNL参数空间区域，目前搜索尚未覆盖，但可通过LHCb以及潜在的CMS长DV策略实现探测。
• 本研究将先前的重子生成结果扩展至m_N ≤ 10 GeV以上，表明即使在较高质量下，具有较大混合角的HNL仍可实现成功的重子生成。