[論文レビュー] Search for heavy neutral leptons in electron-positron and neutral-pion final states with the MicroBooNE detector

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko+186 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、マイクロブーン液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LArTPC）検出器を用いて、電子-陽電子および中性パイオン最終状態における重い中性レプトン（HNL）の最初の探索を報告する。HNL質量が34〜175 MeVの範囲で、|Uμ4|²の混合行列要素に対する、これまでで最も厳しい制限を設定した。これはNuMIビームからの中性子の運動的可及範囲をカバーする。

ABSTRACT

We present the first search for heavy neutral leptons (HNL) decaying into $νe^+e^-$ or $νπ^0$ final states in a liquid-argon time projection chamber using data collected with the MicroBooNE detector. The data were recorded synchronously with the NuMI neutrino beam from Fermilab's Main Injector corresponding to a total exposure of $7.01 imes 10^{20}$ protons on target. We set upper limits at the $90\%$ confidence level on the mixing parameter $\lvert U_{μ4} vert^2$ in the mass ranges $10\le m_{ m HNL}\le 150$ MeV for the $νe^+e^-$ channel and $150\le m_{ m HNL}\le 245$ MeV for the $νπ^0$ channel, assuming $\lvert U_{e 4} vert^2 = \lvert U_{τ4} vert^2 = 0$. These limits represent the most stringent constraints in the mass range $35

研究の動機と目的

• マイクロブーン実験のデータを用いて、最終状態νe⁺e⁻およびνπ⁰における重い中性レプトン（HNL）の探索を行う。
• HNL質量範囲10–385 MeVにおける混合行列要素|Uμ4|²に対する、新たなきつい制約を設定する。
• LArTPC検出器を用いて、ハドロン的および電磁的最終状態へのHNL崩壊の感度を拡張する。
• これまで未検索であったチャネルであるHNLのνπ⁰最終状態への崩壊に関する、最初の実験的結果を提供する。
• 150–245 MeVの間隔質量範囲をカバーすることで、既存のパイオンおよびミュオン崩壊からの制限を補完する。

提案手法

• マイクロブーン検出器が収集した、1.1×10²⁰プロトン/ターゲットのNuMIビームデータを用いた。
• 高い精度で荷電粒子および中性粒子を再構築するために、液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LArTPC）を採用した。
• 頂点およびトポロジー再構築を用いて、e⁺e⁻およびπ⁰最終状態のイベント選別と再構築を実施し、π⁰崩壊のための光子再構築も含めた。
• 運動論的フィッティングおよびインバリアント質量再構築を用いて、νe⁺e⁻およびνπ⁰最終状態におけるHNL崩壊の同定を実施した。
• バックグラウンド推定および制御領域を用いて、90%信頼水準でのHNL信号収量の上限を設定した。
• 同一の|Uμ4|²において、メジャナ型HNLに比べて崩壊幅が2倍小さいため、ディラック型HNLの結果は√2倍にスケーリングした。

Figure 1: Branching ratios for Majorana HNL decays with $\lvert U_{\mu 4}\rvert^{2}>0$ in the range $0\leq{m_{\mathrm{HNL}}}\leq 300$ MeV calculated with the equations of Ref. [ 9 ] , assuming $\lvert U_{e4}\rvert^{2}=\lvert U_{\tau 4}\rvert^{2}=0$ . Both conjugations of charged leptons are included

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10–385 MeVのHNL質量範囲における混合行列要素|Uμ4|²の制限は何か？
• RQ2 マイクロブーンLArTPCは、HNLのνe⁺e⁻およびνπ⁰最終状態への崩壊を検出可能か？
• RQ3 KEK-E89、BNL-E949、NA62などの既存実験と比較して、この探索の感度はいかがなっているか？
• RQ4 この探索が、NuMIビームからの中性子による利用可能なHNL質量範囲の完全カバーに果たす貢献は何か？
• RQ5 メジャナ型とディラック型HNLの両者において、感度および制約強度の違いは何か？

主な発見

• 本研究は、HNL質量が34〜175 MeVの範囲で、|Uμ4|²に対するこれまでで最も厳しい制限を設定した。90%信頼水準での上限は100 MeVで約10⁻⁸に達した。
• これは、HNLがνπ⁰最終状態に崩壊する最初の実験的観測であり、データには信号は観測されなかった。
• メジャナ型HNLの制限は、重複する質量範囲においてSIN、PIENU、KEK-E89、BNL-E949、NA62、PS191実験のものよりも強い。
• ディラック型HNLについては、同一の|Uμ4|²において崩壊幅が小さいため、メジャナ型の結果を√2倍してスケーリングして得た制限が適用された。
• 本探索と、以前のマイクロブーン実験によるμπ最終状態の結果を組み合わせることで、NuMIビームからの中性子による利用可能なHNL質量範囲10–385 MeVが完全にカバーされた。
• νπ⁰崩壊の150–245 MeV範囲における感度は、ミュオンおよびパイオン崩壊実験からの既存制限と同等の水準に達している。

Figure 2: BDT input variables after the preselection for Run 3 (RHC) data: (a) shower angle $\theta_{yz}$ with respect to the $y$ axis projected on the $yz$ plane, (b) track-fit $z$ momentum fraction, and (c) the total shower energy for data and the background prediction. The signal distributions fo