[论文解读] Studies on the anomalous magnetic and electric dipole moments of the tau-neutrino in $pp$ collisions at the LHC

A. Gutiérrez-Rodríguez, M. Köksal+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究通过大型强子对撞机（LHC）上质子-质子碰撞过程 $pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$，利用ATLAS探测器模拟，研究了tau中微子的反常磁偶极矩（MM）和电偶极矩（EDM）。研究覆盖中心系能量 $\sqrt{s} = 8, 13, 14, 33$ TeV 及最高达 3000 fb$^{-1}$ 的积分亮度。结果报告了目前最严格的95%置信水平（C.L.）限制：$\mu_{\nu_\tau} = 1.474 \times 10^{-6}\mu_B$ 和 $d_{\nu_\tau} = 2.424 \times 10^{-17}$ ecm，优于以往的LEP和固定靶实验结果约2.23倍。

ABSTRACT

In this paper the production cross section $pp ightarrow (γ, Z) o ν_τ\bar ν_τγ+X$ in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=8, 13, 14, 33TeV$ is presented. Furthermore, we estimate bounds at the $95\%C. L.$ on the dipole moments of the tau-neutrino using integrated luminosity of ${\cal L}=20, 50, 100, 200, 500, 1000, 3000 fb^{-1}$ collected with the ATLAS detector at the LHC and we consider systematic uncertainties of $δ_{sys}=0, 5, 10\%$. It is shown that the process under consideration is a good prospect for probing the dipole moments of the tau-neutrino at the LHC.

研究动机与目标

• 在大型强子对撞机（LHC）的高能 $pp$ 碰撞中，探测tau中微子的反常磁偶极矩与电偶极矩。
• 评估ATLAS探测器在不同亮度和中心系能量下对这些偶极矩的探测灵敏度。
• 改进来自Borexino、DONUT、CERN-WA-066和L3实验的现有实验限制。
• 评估系统性不确定性（0%、5%、10%）对所获限制的影响。

提出的方法

• 利用有效场论方法，计算包含反常 $\nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma$ 顶点耦合的 $pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ 总截面。
• 将该过程建模为 $pp \to (\gamma, Z) \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$，并包含标准模型（SM）与反常偶极矩贡献之间的干涉效应。
• 通过施加对横向能量（$E_T$）、横向动量（$p_T$）和伪快度（$\eta$）的运动学截断，提升信号探测灵敏度。
• 使用蒙特卡罗模拟估算信号与背景贡献，并考虑0%、5%和10%的系统性不确定性。
• 通过扫描反常耦合参数，推导出 $\mu_{\nu_\tau}$ 和 $d_{\nu_\tau}$ 的95%置信水平（C.L.）上限。
• 在 $(F_3 - F_2)$ 平面中生成二维参数轮廓，以可视化不同亮度与能量设置下的探测灵敏度区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，$pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ 过程是否能以比以往实验更高的灵敏度探测tau中微子的反常磁偶极矩？
• RQ2 LHC的亮度与中心系能量如何影响对tau中微子偶极矩的探测灵敏度？
• RQ3 对于未来LHC运行，随着积分亮度的提高，$\mu_{\nu_\tau}$ 和 $d_{\nu_\tau}$ 的预期95% C.L. 限制是什么？
• RQ4 系统性不确定性（0%、5%、10%）如何影响对偶极矩限制的推导结果？
• RQ5 $\nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma$ 通道在探测中微子电磁性质方面，是否具有与现有及未来实验相当的竞争力？

主要发现

• 在强子对撞机中，$pp \to \nu_\tau\bar{\nu}_\tau\gamma + X$ 过程为探测tau中微子的反常磁偶极矩提供了一条可行且灵敏的通道。
• 在 $\sqrt{s} = 33$ TeV 和 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 条件下，获得了最严格的95% C.L. 上限：$\mu_{\nu_\tau} = 1.474 \times 10^{-6}\mu_B$。
• 在相同最优亮度与能量条件下，电偶极矩的最严格95% C.L. 上限为 $d_{\nu_\tau} = 2.424 \times 10^{-17}$ ecm。
• 该限制比LEP实验中L3实验先前的最佳结果约严格2.23倍。
• 在 $\sqrt{s} = 8$ TeV 时，磁偶极矩的灵敏度因干涉效应表现出轻微不对称性，但在更高能量下该效应减弱。
• 高达10%的系统性不确定性对最终限制有可测量但适中的影响，表明灵敏度在所有考虑的不确定性水平下均保持稳健。