重中微子在高能粒子对撞机上的探寻研究

The interpretation of the standard model neutrino mass by the seesaw mechanism predicts the possible existence of heavy sterile neutrinos. It is an important way to test such new physics mechanism by searching for heavy neutrinos at the high energy particle colliders. In this project, we will propose new methods to discover heavy neutrinos by simulating and analyzing the 2-lepton plus 2-jet (2l+2j) and 4-lepton plus missing energy (4l+MET) final states at the proton-proton colliders (LHC and SppC/FCC-hh), and the 1-lepton plus 3-jet (1l+3j) final state at the electron-proton colliders (LHeC and FCC-eh). The machine learning-based multivariate analysis method to be adopted in this project will greatly improve the ability of various colliders to detect the parameter space formed by sterile neutrino mass m_N and neutrino mixing parameter |V_{lN}|^2 in the theoretical models. In addition, the analysis of the final state with the τ leptons in this project will estimate the detection ability of the colliders to the τ-flavor mixing parameter |V_{τN}|^2, supplementing the shortcomings of the current researches in this aspect. The results of the project will guide the construction of future colliders, as well as the analysis methods of future experimental data at such colliders.

跷跷板机制对标准模型中微子质量的解释预言了重的惰性中微子很可能存在，在高能粒子对撞机上搜寻重中微子的各种衰变末态是检验该新物理机制的重要手段。本项目通过对质子-质子对撞机(LHC和SppC/FCC-hh)上具有特定特征的2个轻子加2个喷注(2l+2j)和4个轻子加损失能量(4l+MET)末态以及电子-质子对撞机(LHeC和FCC-eh)上的单轻子加3个喷注(1l+3j)末态的模拟和分析来提出发现重中微子的新方法。本项目拟采用的基于机器学习的多变量分析方法将会极大提高各种对撞机对理论模型中惰性中微子质量m_N和中微子混合参数|V_{lN}|^2构成的参数空间的探测能力。此外，本项目对有τ轻子产生的末态的分析将预估对撞机对τ味混合参数|V_{τN}|^2的发现能力，补充该方面当前研究的不足。项目的研究结果也会对未来对撞机的建设及其实验数据的分析方法产生指导意义。

跷跷板机制等对标准模型中微子质量的解释预言了重中微子很可能存在，在高能粒子对撞机上寻找重中微子等超越标准模型新物理信号是当前发现和检验新物理的重要途径。本项目重点探究了在LHC和未来高能粒子对撞机上寻找重中微子的方法和预期实验结果。具体包括：（1）探究了在未来电子-质子对撞机上寻找重Majorana中微子的方法和实验发现能力；（2）在LHC和100-TeV的未来质子-质子对撞机以及未来正负电子对撞机上，提出了通过Higgs玻色子衰变的H→NN信号寻找重中微子的新方法，并预测了实验发现能力；（3）探究了不同对撞机实验对|V_{τN}|^2混合参数的限制结果；（4）提出了在未来轻子对撞机上安装远端探测器的新设想，探讨了其对长寿命重中微子以及其他长寿命新粒子寻找的物理实验结果。此外，关注于在对撞机上发现超出标准模型的新物理信号，本项目也扩展了研究，开展了一些新的探索，包括在LHC和未来高能粒子对撞机上寻找长寿命粒子、类轴子及超对称粒子。目前已在国际高水平期刊上发表该资助基金标注论文8篇，另有处于期刊审稿中待发表的论文2篇。项目执行期间，已培养硕士研究生3人，仍在培养中3人。

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