[论文解读] Probing the Majorana Nature and CP Properties of Neutralinos

Seong Youl Choi|ArXiv.org|Sep 6, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文提出了两种直接的实验方法，用于在未来的 $e^+e^-$ 直线对撞机上探测中性ino的马约拉纳性质和CP破坏。第一种方法结合分析三体衰变中阈值对产生和末态费米子不变质量分布；第二种方法测量两体衰变 $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ 中的 $Z$ 玻色子极化。关键结果表明，即使仅能探测到最轻的两个中性ino，也能通过产生和衰变中的 $S$ 波增强效应检测到CP破坏，而 $Z$ 玻色子螺旋度不对称性则证实了马约拉纳性质并揭示了CP破坏信号。

ABSTRACT

Two powerful and straightforward methods are presented for probing the Majorana nature and CP violation of neutralinos at future $e^+e^-$ linear colliders.

研究动机与目标

• 建立实验方法以确定中性ino是否为马约拉纳费米子，并判断中性ino sector 中是否存在CP破坏。
• 解决当仅最轻的中性ino在动理学上可及时，探测CP性质和马约拉纳性质的挑战。
• 提供一种直接、模型无关的方法，以检验如复数 $M_1$、$M_2$ 和 $\mu$ 相位等基本SUSY参数。
• 实现在 $e^+e^-$ 对撞机上早期探测中性ino系统中CP破坏和马约拉纳性质。

提出的方法

• 分析 $e^+e^- \to \tilde{\chi}^0_i\tilde{\chi}^0_j$ 对产生过程的阈值行为，以探测由CP破坏引起的 $S$ 波增强效应。
• 研究三体衰变 $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j f\bar{f}$ 中末态附近的费米子不变质量分布，以识别CP破坏的 $S$ 波信号。
• 利用两体衰变 $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ 中 $Z$ 玻色子的极化来探测CP破坏并确认中性ino的马约拉纳性质。
• 基于内禀CP宇称和轨道角动量的选取规则，区分CP不变与CP非不变情形。
• 依赖于在CP不变情况下，矢量和轴向矢量流导致 $S$ 波与 $P$ 波产生模式互斥，而CP破坏会打破这种限制。
• 利用关系式 $\Gamma[\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z(+)] = \Gamma[\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z(-)]$ 作为马约拉纳性质的特征，该关系在CP非不变情况下依然成立。

实验结果

研究问题

• RQ1 中性ino对产生和三体衰变末态分布中的 $S$ 波增强是否能作为中性ino系统中CP破坏的信号？
• RQ2 如何利用 $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ 衰变中 $Z$ 玻色子的极化来探测CP破坏并确认中性ino的马约拉纳性质？
• RQ3 当 $e^+e^-$ 对撞机中仅能探测到两个最轻的中性ino时，是否仍能检测到CP破坏？
• RQ4 复数相位 $M_1$ 和 $\mu$ 在破坏CP选取规则并实现可观测的 $S$ 波信号中起什么作用？
• RQ5 在 $\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ 衰变中，$Z$ 玻色子自旋依赖的衰变宽度如何反映中性ino sector 中的CP破坏？

主要发现

• 对 $e^+e^- \to \tilde{\chi}^0_1\tilde{\chi}^0_2$ 阈值附近和 $\tilde{\chi}^0_2 \to \tilde{\chi}^0_1 l^+l^-$ 末态附近的联合分析揭示了 $S$ 波增强，即使仅能探测到最轻的中性ino，该增强也表明存在CP破坏。
• 在CP不变情况下，由于CP选取规则，$S$ 波产生与衰变互斥；但CP破坏会打破这一限制，允许同时出现 $S$ 波信号。
• 对于参数集 $\tan\beta=10$，$|M_1|=100$ GeV，$M_2=150$ GeV，$|\mu|=400$ GeV，$\Phi_\mu=0$，数值模拟显示在产生和衰变过程中均存在明显的 $S$ 波增强。
• $Z$ 玻色子螺旋度不对称性 $\Gamma(Z(+)) = \Gamma(Z(-))$ 确认了中性ino的马约拉纳性质，这符合其纯虚矢量耦合和实轴向矢量耦合的要求。
• 在精确测量质量的前提下，$\tilde{\chi}^0_i \to \tilde{\chi}^0_j Z$ 中纵向与横向衰变宽度的比值可作为独立于衰变模式的CP破坏直接探测手段。
• 即使两体衰变在动力学上是开放的，$Z$ 玻色子极化测量仍是探测中性ino系统中CP破坏和马约拉纳性质的可行方法。