[論文レビュー] Search for Heavy Neutral Leptons in Decays of $W$ Bosons Using a Dilepton Displaced Vertex in $\sqrt{s}$ = 13 TeV pp Collisions with the ATLAS Detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、ATLAS検出器を用いて13 TeVの陽子-陽子衝突データ139 fb⁻¹において、Wボソンの崩壊から生成され、分散した二重レプトン頂点に崩壊する重い中性レプトン（HNL）の探索を報告する。信号は観測されず、通常および逆転したニュートリノ質量階層の両方において、単一および多フラバー混合のシナリオについて、3 GeV < m_N < 15 GeVの範囲でHNL混合パラメータの新たな除外限界が設定された。

ABSTRACT

A search for a long-lived, heavy neutral lepton $\mathcal{N}$ in 139 fb$^-1$ of $\sqrt{S}$ = 13 TeV $pp$ collision data collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider is reported. The $\mathcal{N}$ is produced via $W o$$\mathcal{N}$ $\mu$ or $W o$$\mathcal{N}e$ and decays into two charged leptons and a neutrino, forming a displaced vertex. The $\mathcal{N}$ mass is used to discriminate between signal and background. No signal is observed, and limits are set on the squared mixing parameters of the $\mathcal{N}$ with the left-handed neutrino states for the $\mathcal{N}$ mass range 3 GeV &lt; $m_\mathcal{N}$ &lt; 15 GeV. For the first time, limits are given for both single-flavor and multiflavor mixing scenarios motivated by neutrino flavor oscillation results for both the normal and inverted neutrino-mass hierarchies.

研究の動機と目的

• W → Nℓ を通じて生成され、分散した二重レプトン頂点に崩壊する長寿命の重い中性レプトン（HNL）の探索を目的とする。
• 単一フラバーおよび多フラバー混合の両方のシナリオにおけるHNL混合パラメータ |Uα|² の新たな除外限界を設定すること。
• ニュートリノ振動およびレプトゲネシスを説明するHNLモデルの妥当性を、通常および逆転したニュートリノ質量階層を含めて検証すること。
• 6つの最終状態（例：μ−μμ、e−ee、μ−μe）を分析し、レプトン数保存および非保存の崩壊モードを区別することで感度を向上させること。

提案手法

• 信号サンプルは、Pythia 8.212（A14チューニング）およびNNPDF2.3lo PDFを用いて生成され、追加のpp衝突による積み重ね効果を含んだ。
• Wボソン崩壊生成物間のスピン相関を、HeavyNモデルを用いたMadGraph5_aMC@NLO 2.9.3に基づくイベント重み付けにより補正した。
• 解析は、プロンプトレプトン（ℓα）と、内側検出器のトラッキングにより再構築された、電荷が逆の2つのレプトン（ℓβℓγ）からの分散頂点を有する最終状態に焦点を当てた。
• HNL質量が3 GeVから20 GeV、および固有の崩壊長が1 mm、10 mm、100 mmの範囲で信号感度を評価した。
• 頂点の分散およびレプトンのフラバー識別を含む、運動量的およびトポロジカルな基準を用いてバックグラウンドを抑制した。
• LNC（レプトン数保存）のみのディラック極限およびLNCとLNV（レプトン数非保存）のブランチング比が等しいメジャノラ極限の両方で限界を抽出し、特にμ−μeおよびe−eμチャンネルでフラバーに依存する分離を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一フラバー混合シナリオにおいて、HNL質量が3 GeVから15 GeVの範囲で、|Uα|² の混合パラメータの除外限界は何か？
• RQ2 多フラバーHNLモデルにおいて、通常および逆転したニュートリノ質量階層の両方で、限界はどのように異なるか？
• RQ3 ATLAS実験は、LNCおよびLNV崩壊モードの両方において、分散した二重レプトン頂点に崩壊するHNLに対して、競争力のある境界を設定できるか？
• RQ4 複数の最終状態（例：μ−μμ、e−ee、μ−μe）を含めることで、単一チャンネル解析に比べて感度はどのように向上するか？
• RQ5 μ−μeおよびe−eμチャンネルにおいて、フラバー依存のレプトン識別が、LNCおよびLNV崩壊モードの区別に与える影響は何か？

主な発見

• 139 fb⁻¹の13 TeV pp衝突データにおいて、有意な信号は観測されず、HNL混合パラメータの上限が得られた。
• 単一フラバー混合シナリオにおいて、3 GeV < m_N < 15 GeVの範囲で |Uμ|² の除外限界が設定され、以前のATLAS探索より感度が向上した。
• 初めてとして、多フラバーHNLモデルにおいて |Ue|² および |Uτ|² の限界が、通常および逆転したニュートリノ質量階層の両方で設定された。
• ディラック極限（LNCのみ）およびメジャノラ極限（LNCとLNVのブランチング比が等しい）の両方で境界が設定され、特にメジャノラ極限でより厳密な制約が得られた。
• 複数の最終状態（例：μ−μe、e−eμ）の組み合わせにより、特にメジャノラ極限において多フラバー混合への感度が向上した。
• 結果は、特にμ−μeおよびe−eμチャンネルでフラバー分離が感度を向上させることを踏まえ、参考文献[22]の以前の限界を上回り、改善した。