Forward Searches for Heavy Neutrinos and $Z'$ Bosons at FCC-hh

Sintesi Tecnica: Ricerche Forward per Neutrini Pesanti e Bosoni $Z'$ a FCC-hh

Problema e Motivazione
L'osservazione di masse non nulle dei neutrini richiede una fisica oltre il Modello Standard (BSM). Il meccanismo di seesaw di tipo I, che introduce leptoni neutri pesanti (HNL) o neutrini destrorsi (RHN), è un quadro teorico primario per spiegare queste masse. Una realizzazione ben motivata di questo meccanismo prevede l'estensione della simmetria di gauge del Modello Standard con un gruppo chirale $U(1)$ aggiuntivo privo di anomalie. Tali estensioni predicono un nuovo bosone di gauge neutro ($Z'$) e RHN. Sebbene queste particelle siano spesso longeve e debolmente interagenti, rendendole difficili da rilevare con i detector di collisione convenzionali, possono essere prodotte in flussi elevati nella regione far-forward delle collisioni protone-protone ad alta energia. Il proposto Forward Physics Facility (FPF) presso il Future Circular Collider a 100 TeV (FCC-hh) offre un ambiente unico per la ricerca di queste particelle debolmente interagenti (FIP) e particelle a lunga vita (LLP). Questo articolo investiga il potenziale di scoperta dell'FPF per neutrini pesanti e bosoni $Z'$ all'interno di una vasta classe di estensioni $U(1)$ chirali prive di anomalie.

Metodologia
Gli autori analizzano la produzione e il decadimento di neutrini pesanti e bosoni $Z'$ al FCC-hh ($\sqrt{s} = 100$ TeV) con una luminosità integrata di 30 ab$^{-1}$. Lo studio si concentra su due configurazioni di detector proposte per l'FPF, situate 1,5 km a valle del punto di interazione (IP):

• FPF1: Un volume di decadimento di 5 m $\times$ 5 m $\times$ 50 m.
• FPF2: Un volume di decadimento più grande di 20 m $\times$ 20 m $\times$ 400 m.

L'analisi considera due classi di modelli $U(1)$ privi di anomalie:

1. Caso-I (Minimale): Tre generazioni di RHN singole rispetto allo SM con cariche $U(1)$ universali e uno scalare singolo rispetto allo SM. Questo include realizzazioni specifiche come $U(1)_{B-L}$, $U(1)_R$ e altre definite da specifici assegnamenti di carica.
2. Caso-II (Alternativo): Un settore scalare esteso con cariche RHN non universali, che realizza un modello a due Higgs (2HDM) neutrinofilo dove solo due RHN partecipano al meccanismo di seesaw, mentre il terzo funge da candidato per la materia oscura.

Lo studio valuta quattro scenari complementari di produzione e decadimento:

1. HNL da decadimento di mesoni: Neutrini pesanti prodotti direttamente dai decadimenti di mesoni pseudoscalari ($B, D, K, \pi$) tramite mixing attivo-sterile ($V_{\ell N}$).
2. $Z'$ a lunga vita (Visibile): Bosoni $Z'$ prodotti tramite decadimenti di mesoni e bremsstrahlung protonica che decadono visibilmente all'interno del detector, assumendo che il canale $Z' \to NN$ sia cinematicamente proibito ($M_N > M_{Z'}/2$).
3. $Z'$ a lunga vita (Fuga degli HNL): Bosoni $Z'$ a lunga vita che decadono in coppie di neutrini pesanti ($Z' \to NN$) dove i neutrini pesanti sono sufficientemente longevi da sfuggire al detector, lasciando solo i prodotti di decadimento visibili del $Z'$.
4. $Z'$ prompt (HNL visibile): Bosoni $Z'$ che decadono prontamente producendo coppie di neutrini pesanti a lunga vita che successivamente decadono visibilmente all'interno del volume del detector.

I tassi di evento sono calcolati utilizzando il pacchetto FORESEE per l'analisi degli eventi e DarkCast per i rapporti di branching, incorporando una geometria del detector realistica, probabilità di decadimento e una soglia di energia visibile di $E_{vis} \ge 100$ GeV. L'analisi assume un ambiente privo di background con efficienza di rilevamento del 100% per i decadimenti visibili.

Contributi Chiave e Risultati
L'articolo deriva le sensibilità proiettate per la massa del neutrino pesante ($M_N$) e il mixing attivo-sterile ($|V_{\ell N}|^2$), così come la massa del $Z'$ ($M_{Z'}$) e la costante di accoppiamento di gauge ($g_X$).

• Neutrini pesanti da decadimenti di mesoni:

  • FPF1 è proiettato per sondare $|V_{\ell N}|^2$ nell'intervallo da $10^{-9}$ a $10^{-5}$ per $M_N \sim 0,5\text{--}6$ GeV. Questa sensibilità è comparabile alla portata proiettata dell'esperimento SHiP, ma supera significativamente SHiP per $M_N \gtrsim 2,5$ GeV a causa della produzione potenziata di mesoni $B$ al FCC-hh.
  • FPF2, con il suo volume maggiore, estende ulteriormente lo spazio dei parametri accessibile, superando i limiti attuali e le proiezioni future per $0,5 \text{ GeV} \lesssim M_N \lesssim 6 \text{ GeV}$ (e fino a 0,04 GeV per il sapore muonico).

• Scenari mediati da $Z'$:

  • $Z'$ a lunga vita (Visibile): Per masse di $Z'$ nell'intervallo $0,1 \text{ GeV} \lesssim M_{Z'} \lesssim 1,5$ GeV, l'FPF può sondare costanti di accoppiamento di gauge così piccole come $g_X \sim 10^{-9}$ a $5 \times 10^{-8}$. FPF2 migliora la portata di circa un ordine di grandezza rispetto a FPF1.
  • $Z'$ a lunga vita (Fuga degli HNL): Quando il $Z'$ decade in neutrini pesanti, la frazione di branching visibile è ridotta. Lo scenario "alternativo" (Caso-II) mostra generalmente regioni di esclusione più ampie a causa delle cariche $U(1)$ maggiori per gli RHN, che potenziano il rapporto di branching $Z' \to NN$ e sopprimono i decadimenti visibili.
  • $Z'$ prompt (HNL visibile): Questo scenario permette di sondare piccoli angoli di mixing ($|V_{\ell N}|^2 \sim 10^{-9}$) per $M_N \sim 0,25$ GeV. La sensibilità dipende dai valori benchmark fissi di $g_X$ e $M_{Z'}$.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che l'FPF al FCC-hh offre una sonda potente e complementare per i modelli di massa dei neutrini e i settori di gauge nascosti. La capacità della struttura per rilevare leggeri neutrini pesanti a lunga vita e leggeri bosoni $Z'$ estende la portata di scoperta significativamente oltre gli esperimenti esistenti o proposti (come SHiP, FASER ed esperimenti di beam-dump).

Nello specifico, l'articolo asserisce che:

1. L'enorme flusso di particelle forward e la produzione potenziata di heavy-flavor al FCC-hh, combinati con il grande volume di decadimento fiduciale dell'FPF (specialmente FPF2), forniscono una sensibilità che va ben oltre i limiti attuali su ampie regioni dello spazio dei parametri del modello.
2. La struttura chirale dei modelli $U(1)_X$ generali gioca un ruolo cruciale nel determinare le larghezze di decadimento e i rapporti di branching, portando a sensibilità dipendenti dal modello che l'FPF è ben predisposto per esplorare.
3. La combinazione di diversi meccanismi di produzione (decadimenti di mesoni, bremsstrahlung) e topologie di decadimento (Z' prompt vs a lunga vita, decadimenti visibili vs invisibili) consente un'esplorazione completa dello spazio dei parametri $U(1)$, includendo la costante di accoppiamento di gauge, la massa di $Z'$, la massa del neutrino pesante e gli angoli di mixing.

Il lavoro conclude che l'FPF costituisce una struttura unica per testare l'origine delle masse dei neutrini e cercare settori di gauge nascosti attraverso firme di particelle a lunga vita.