Search for heavy neutrinos in proton-proton collisions at sqrt{s} = 13 TeV with the CMS detector at the LHC

Abstract

표준모형이 수많은 실험결과를 성공적으로 설명함에도 불구하고, 자연에는 여전히 위 모형으로는 설명 불가능한 것들이 많이 남아있다. 중성미자의 진동변환의 발견은, 중성미자의 질량을 설명하지 못하는 표준모형을 넘어서는, 새로운 물리가 반드시 존재한다는 것을 암시한다. 수많은 이론모형들이 중성미자의 질량 설명하기위해 제시되었지만, 오른손잡이 중성미자의 부재는 중성미자 물리학의 큰 걸림돌이 되고있으며, 이러한 입자를 발견하기위해 많은 실험들이 진행되고 있다. 시소 모형은 중성미자 질량의 기원을 설명함과 동시에, 그 크기가 다른 페르미온 입자와 비교했을때 월등히 작은 사실도 설명할 수 있는 모델이다. 시소 모형에서 예측되는 무거운 마요라나 타입의 중성미자는 표준모형의 중성미자와의 섞임이 가능하다. 또한, 더 높은 에너지 스케일에서 왼손잡이-오른손잡이 간의 대칭성을 도입한뒤, 자발적 대칭성 깨짐을통해 약한상호작용의 패리티 대칭성 깨짐을 설명하는 모델은 위의 시소 모형을 자연스럽게 포함할 수 있는 장점이있다. 이 학위논문은 대형 강입자 충돌기의 CMS 검출기에서 수집된 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용해, 위에서 언급된 무거운 중성미자와 오른손잡이 게이지 보존을 찾는 연구결과를 포함한다. 시소모형을 다룬 연구는 2016년에 수집된 35.9 fb-1의 데이터를 이용했다. 이 연구는, 이전에 시행된 연구를 두가지 방향에서 향상시켰다. 첫째, 더 무거운 질량의 시그널에서 더 많이 생성되는 새로운 채널을 추가했다. 둘째, 이전 연구에서 놓쳤던 시그널 이벤트를 포함할 수 있는 새로운 연구 영역을 추가했다. 두번째 연구는 오른손잡이 게이지 보존과 무거운 중성미자를 함께 탐색했으며, 2016년 부터 2018년에 걸쳐 수집된 137 fb-1의 데이터를 분석한 결과이다. 이전에 시행된 연구의 약 4배에 해당하는 데이터를 사용했으며, 상대적으로 가벼운 무거운 중성미자를 탐색할 수 있는 새로운 연구 영역을 추가해, 시그널 이벤트의 발견 가능성을 향상시켰다.

Despite the success of the standard model, there are still unexplained phenomena that are not explained by the theory. The observation of the neutrino oscillation is a clear evidence of the physics beyond the standard model where the mass of the neutrinos are assumed to be zero. Multiple theories have been proposed to explain the existence of the neutrino masses, but the absence of the right-handed neutrinos is the stumbling block of the neutrino physics and the observation of such particles will open a new chapter of the particle physics. The seesaw mechanism is one of the most popular theories that explain the origin and the smallness of the neutrino masses. The model predicts a heavy Majorana neutrino which can mix with the SM neutrinos with a strength proportional to the size of the mixing matrix element. In addition, the left-right symmetric extension of the SM can explain the mechanism of the parity violation, and can incorporate the seesaw mechanism to explain the mass of the neutrino. The heavy neutrinos, which are predicted from both models, can be probed at the LHC thought the proton-proton collision. In this thesis, analyses that searched for the heavy neutrinos and the new charge gauge boson are presented, using the proton-proton collision data collected at the CMS detector, at a center-of-mass energy of 13 TeV. The former analysis used the data corresponds to the integrated luminosity of 35.9 fb-1. This analysis improved the previous analysis in two folds; adding new production channel of the signal that is dominant in the heavier mass, and adding new signal regions which restores the inefficiencies in the previous analysis. The latter analysis used the full Run 2 data of 137 fb-1. A new analysis region which enhances the sensitivity for small m(N)/m(WR) signals are introduced, and a significant improvement of the exclusion area is obtained.