Search for the singlet vector-like lepton at future $$e^+ e^-$$ colliders

Abstract

Abstract Searching for the new particles beyond the standard model (SM) is an important way to probe new physics beyond the SM. In one class of new particles there are nonchiral color singlet fermions that couple to the SM leptons, that is vector-like leptons (VLLs), which have been widely concerned in experiment and theory. The existing literature shows that the singlet VLLs suffer from a big difficult challenge for discovery at future proton-proton colliders. In this paper, we study the prospects of searching for the singlet VLLs in pure leptonic and fully hadronic channels at $$e^+ e^-$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> colliders. We find that there is an opportunity for excluding the region $$m_{\tau ^{\prime \pm }} \in $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>′</mml:mo> <mml:mo>±</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:msub> <mml:mo>∈</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> [180 GeV, 240 GeV] with $${\mathcal {L}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>L</mml:mi> </mml:math> $$\in $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mo>∈</mml:mo> </mml:math> [ $$3.0\hbox { fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>3.0</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , $$14.9\hbox { fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>14.9</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ] ([ $$0.1\hbox { fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>0.1</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , $$0.3\hbox { fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>0.3</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ]) at ILC of $$\sqrt{s} = 500\ \hbox { GeV}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>500</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mspace/> <mml:mtext>GeV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> , the region $$m_{\tau ^{\prime \pm }} \in $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>′</mml:mo> <mml:mo>±</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:msub> <mml:mo>∈</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> [240 GeV, 450 GeV] with $${\mathcal {L}} \in $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>L</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> [ $$9.9\hbox { fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>9.9</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , $$23.1\hbox { fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>23.1</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ] ([ $$0.2\hbox { fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>0.2</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , $$0.3\hbox { fb}^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>0.3</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ]) at ILC of $$\sqrt{s} = 1000\ \hbox { GeV}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1000</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mspace/> <mml:mtext>GeV</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> and the region $$m_{\tau ^{\prime \pm }} \in $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub>

Topics & Concepts