[论文解读] Seesaw Spectroscopy at Colliders

Clifford Cheung, Lawrence J. Hall+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2011

Neutrino Physics Research被引用 6

一句话总结

该论文提出一种基于对撞机的直接探测与重建中微子跷跷板机制的方法，通过长寿命的次轻量超对称粒子（NLSP）衰变为惰性标量中微子LSP实现。通过测量衰变能谱中的单色谱线或不变质量分布中的运动学边缘，可提取惰性中微子的质量和汤川耦合常数，从而重建中微子质量矩阵，并在弱能标下检验轻子生成模型。

ABSTRACT

A low-scale neutrino seesaw may be probed or even reconstructed at colliders provided that supersymmetry is at the weak scale and the LSP is a sterile sneutrino. Because the neutrino Yukawa couplings are small, the NLSP is typically long-lived and thus a significant fraction of colored or charged NLSPs may stop in the detector material before decaying to the LSP and a charged lepton, gauge boson, or Higgs. For two-body NLSP decays, the energy spectrum of the visible decay product exhibits a monochromatic line for each sterile sneutrino which can be used to extract the sterile sneutrino masses and some or all entries of the neutrino Yukawa matrix modulo phases. Similar methods can be used to extract these parameters from the Dalitz plot in the case of three-body NLSP decays. Assuming that the sterile sneutrino and neutrino are roughly degenerate, one can confirm the existence of a neutrino seesaw by comparing these measured parameters to the observed active neutrino masses and mixing angles. Seesaw spectroscopy can also provide genuinely new information such as the value of $θ_{13}$, the nature of the neutrino mass hierarchy, and the presence of CP conservation in the neutrino sector. We introduce a weak-scale theory of leptogenesis that can be directly tested by these techniques.

研究动机与目标

• 开发一种在对撞机上直接探测跷跷板机制的方法，因为惰性中微子的质量或耦合常数极端，使其在其他情况下无法探测。
• 证明弱能标超对称理论中，若惰性标量中微子为LSP，则可通过NLSP衰变重建中微子汤川耦合矩阵与惰性标量中微子质量。
• 通过NLSP衰变谱学测量CP破坏相位与汤川耦合常数，为对撞机提供一种基于低能标轻子生成的检验方法。
• 建立一种从对撞机数据中提取中微子混合角 $\theta_{13}$、质量顺序与CP守恒状态的方法。
• 证明即使没有停止的NLSP，也能利用衰变谱中的运动学边缘与单色谱线重建跷跷板参数。

提出的方法

• 利用长寿命NLSP（如带电胶子或夸克）在探测器材料中停止后衰变为带电轻子与惰性标量中微子LSP。
• 测量可见衰变产物（如带电轻子）的能量谱，识别对应于不同惰性标量中微子质量的单色谱线。
• 应用运动学边缘技术于不变质量分布（如 $m_{q\ell^\pm}$）以提取在位衰变级联中多个惰性标量中微子的质量。
• 利用 $M_{T2}$ 变量在双产生事例中独立于喷流组合与NLSP质量重建标量中微子质量。
• 从分支比 $\propto |\lambda_{ij}|^2$ 重建中微子汤川耦合矩阵 $\lambda_{ij}$，并与测量得到的惰性标量中微子质量相关联，以验证跷跷板机制。
• 利用关系式 $M_j^2 = m_{\tilde{\chi}^\pm}^2 + m_{\ell^\pm}^2 - 2m_{\tilde{\chi}^\pm}E_{\ell^\pm}$ 从轻子能量谱中提取惰性标量中微子质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过长寿命NLSP衰变为惰性标量中微子LSP，在对撞机上直接探测中微子跷跷板机制？
• RQ2 在单色谱线与运动学边缘等对撞机可观测量下，中微子汤川耦合矩阵与惰性标量中微子质量的重建程度如何？
• RQ3 跷跷板谱学能否提供对 $\theta_{13}$、中微子质量顺序与中微子扇区CP破坏的独立测量？
• RQ4 能否通过测量NLSP衰变为惰性标量中微子的对撞机数据，检验低能标轻子生成模型？
• RQ5 在喷流组合与位移衰变本底存在的情况下，跷跷板参数的重建方法有多稳健？

主要发现

• 轻子能量谱中的单色谱线可直接测量来自两体NLSP衰变的惰性标量中微子质量。
• 夸克-轻子对（$m_{q\ell^\pm}$）不变质量中的运动学边缘可用于在位级联衰变中重建多个惰性标量中微子质量。
• NLSP衰变至不同轻子味的分支比与 $|\lambda_{ij}|^2$ 成正比，从而可重建中微子汤川耦合矩阵（相位除外）。
• 该方法可通过直接测量汤川耦合常数与质量，确定 $\theta_{13}$、中微子质量顺序与中微子扇区CP守恒状态。
• 通过将重建的参数与观测到的活性中微子质量与混合角进行比较，可验证中微子质量的跷跷板起源。
• 低能标轻子生成理论可通过跷跷板谱学直接检验，因为软SUSY破缺中的CP破坏相位可通过测量到的 $|\lambda_{ij}|^2$ 与 $M_j$ 值探测。