[论文解读] Searching for heavy neutral lepton and lepton number violation through VBS at high-energy muon colliders

Tong Li, Chang-Yuan Yao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文提出在高能μ子对撞机上利用矢量玻色子散射（VBS）寻找重中性轻子（HNLs）和轻子数破坏（LNV），提供一种清晰、稳健的同号轻子（如ℓ⁺ℓ⁺）末态信号，可区分马约拉纳型HNL与狄拉克态。研究表明，在√s = 10–30 TeV的μ子对撞机上，VBS过程可探测到HNL与μ子的混合矩阵元|VμN|²高达10⁻⁴，并将韦纳伯格算符尺度的敏感度限制在Λ/|Cμμ⁵| ≲ 47.7 TeV。

ABSTRACT

High-energy muon collider can play as an emitter of electroweak gauge bosons and thus leads to substantial vector boson scattering (VBS) processes. In this work, we investigate the production of heavy neutral lepton (HNL) N and lepton number violation (LNV) signature through VBS at high-energy muon colliders. VBS induces LNV processes W$^{±}$Z/γ → ℓ$^{±}$N → ℓ$^{±}$ℓ$^{±}$W$^{∓}$ → ℓ$^{±}$ℓ$^{±} q\overline{q} ^{′}$ with an on-shell HNL N at μ$^{+}$μ$^{−}$ colliders. In analogy to neutrinoless double-beta decay with the HNL in t-channel, the LNV signature W$^{+}$W$^{+}$ → ℓ$^{+}$ℓ$^{+}$ can also happen via VBS at same-sign muon collider. They provide clean and robust LNV signatures to tell the nature of Majorana HNLs and thus have more advantageous benefits than direct μμ annihilation. We analyze the potential of searching for Majorana HNL and obtain the exclusion limits on mixing V$_{ℓN}$. Based on this same-sign lepton signature, we also obtain the sensitivity of muon collider to the Weinberg operator.

研究动机与目标

• 通过高能μ子对撞机上的轻子数破坏（LNV）探测重中性轻子（HNLs）的马约拉纳本质，发展一种清晰、稳健的信号。
• 克服直接µµ湮灭过程的局限性，该过程因末态缺失中微子而无法区分马约拉纳与狄拉克型HNLs。
• 探索同号μ⁺μ⁺对撞机在0νββ类LNV过程中探测更重HNLs的潜力。
• 量化μ子对撞机对维度5的韦纳伯格算符的敏感度，该算符与中微子质量生成密切相关。

提出的方法

• 使用电弱部分子分布函数（EW PDFs）对高能µ⁺µ⁻与µ⁺µ⁺对撞机上的VBS过程进行建模。
• 分析VBS产生过程：W±Z/γ → ℓ±N → ℓ±ℓ±W∓ → ℓ±ℓ±q¯q′，其中HNL N为壳上粒子，作为LNV的“金标准”信号。
• 通过探测器级模拟对LNV信号与标准模型背景进行分析，以估算信号显著性与排除极限。
• 应用针对同号轻子与喷注的优化选择判据，以抑制背景。
• 利用部分子级截面公式σ(W⁺W⁺ → ℓ⁺ℓ′) ≈ (2−δℓℓ′)/(18π) × |Cₗₗ′⁵/Λ|²来建模韦纳伯格算符的贡献。
• 通过2σ显著性要求，推导出对|VℓN|²的排除极限与对韦纳伯格算符尺度Λ/|Cμμ⁵|的敏感度边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高能μ子对撞机上，VBS过程能否提供一种清晰、模型无关的信号以识别马约拉纳型HNL？
• RQ2 与直接µ⁺µ⁻湮灭相比，基于VBS的HNL搜索在探测|VμN|²时的敏感度如何？
• RQ3 同号µ⁺µ⁺对撞机是否可通过0νββ类LNV过程探测比ℓ±ℓ± + 喷注信号更重的HNL？
• RQ4 μ子对撞机对维度5韦纳伯格算符尺度Λ/|Cμμ⁵|的敏感度如何？
• RQ5 VBS过程能否探测HNL与不同轻子味的混合，包括ℓ₁ ≠ ℓ₂时的|Vℓ₁NVℓ₂N|？

主要发现

• VBS过程W±Z/γ → ℓ±N → ℓ±ℓ±W∓ → ℓ±ℓ±q¯q′提供了一种具有同号电荷轻子的‘金标准’LNV信号，能明确区分马约拉纳型HNL。
• 在√s = 10 TeV时，尽管截面较小，基于VBS的|VμN|²排除极限仍强于直接µ⁺µ⁻湮灭的结果。
• 对于µ⁺µ⁺对撞机，0νββ类LNV信号W⁺W⁺ → ℓ⁺ℓ⁺可探测远重于ℓ±ℓ± + 喷注信号的HNL。
• 在√s = 30 TeV时，对韦纳伯格算符尺度的敏感度达到Λ/|Cμμ⁵| ≲ 47.7 TeV，对应于有效µµ马约拉纳质量mμμ ≳1.3 GeV。
• 该方法可探测HNL与不同轻子味的混合，包括ℓ₁ ≠ ℓ₂时的|Vℓ₁NVℓ₂N|，超越μ–N相互作用区域。
• 研究证实，基于VBS的LNV信号具有鲁棒性，特别适用于识别高质量区HNL的马约拉纳本质。